Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
272
Добавлен:
26.05.2014
Размер:
380.93 Кб
Скачать

Лекция 16

Блочный принцип сложения мощностей ГВВ. Сложение мощностей ГВВ в пространстве. Модульный принцип наращивания мощности – антенные решётки. Мостовой принцип сложения мощностей ГВВ, его особенности. Режимы мостовых схем в аварийных случаях. Примеры мостовых схем, их сравнение.

Построение генераторов с использованием параллельного и двухтактного включений АЭ позволяет увеличить мощность генератора за счёт сложения мощностей АЭ. Однако при параллельном и двухтактном включениях АЭ имеет место сильное взаимное влияние АЭ, что проявляется через ощущаемые АЭ сопротивления1. При этом выход из строя одного АЭ, например, за счёт короткого замыкания или обрыва в цепях, может привести не только к снижению мощности генератора на величину мощности отключившегося АЭ, но и к выходу из строя части или всех остальных АЭ. Как отмечалось, за счёт сильного взаимного влияния больше двух–трёх АЭ параллельно не включают, в том числе и в каждом плече двухтактного ГВВ. В то же время в некоторых случаях требуются генераторы таких больших мощностей, которые не могут быть получены от одного или нескольких АЭ существующих типов, включаемых параллельно и по двухтактной схеме. Для таких генераторов разрабатывают новые специальные АЭ повышенной мощности. Однако такой путь не всегда является лучшим, так как разработка и организация производства новых ламп и транзисторов обходятся дорого, отнимают много времени, а потребность в таких АЭ, в первую очередь это относится к мощным лампам, сравнительно невелика. Мощные генераторные приборы, как правило, имеют и невысокую надёжность. Кроме того, существуют физические и технологические ограничения по созданию более мощных приборов, обусловленные как электрической прочностью используемых материалов, так и их химической чистотой. В настоящее время разработаны генераторные лампы на мощности 0,5…3,0 МВт, а генераторные транзисторы – 250…1000 Вт на частотах до 150…1000 МГц. Дальнейшее увеличение мощностей в несколько раз, а тем более на порядок, представляет трудную, практически невыполнимую сегодня задачу.

Поэтому специалисты искали и ищут другие схемные методы построения генераторов большой мощности. Практическое применение получили следующие методы:

  • сложение мощностей нескольких блоков в общем контуре;

  • сложение высокочастотных полей в пространстве;

  • сложение мощностей с помощью мостовых схем.

Возможная реализация метода сложения мощностей блоков в общем контуре показана на рис.16.1. Выходной каскад передатчика выполняется в виде нескольких идентичных блоков, связанных с общим контуром нагрузки. Блоки включены параллельно. Возможно последовательное включение блоков. Результирующая мощность в нагрузке равна сумме мощностей складываемых блоков. Независимо от способа включения блоков работа их оказывается взаимозависимой, так как все они связываются между собою через общий контур нагрузки. Выход из строя одного блока сказывается на работе оставшихся, что требует соответствующей регулировки связи блоков с контуром нагрузки. Вышедший из строя блок отключается и восстанавливается. Подобный принцип использовался при построении мощных и сверхмощных отечественных радиовещательных станций.

Схема сложения высокочастотных полей в пространстве на примере двух радиопередатчиков показана на рис.16.2. Передатчиков может быть больше. Если мощности складываемых передатчиков одинаковы, то сложение электромагнитных полей в пространстве эквивалентно увеличению мощности в N 2 раз, где N- число передатчиков, так как напряжённость результирующего электромагнитного поля в зоне приёма увеличивается в N раз.

Е сли сложение высокочастотных полей в пространстве не требуется, то передатчики могут работать независимо друг от друга на разных частотах, с разными корреспондентами и передавать разные программы (переключатели П1 и П2 в положении III). При переходе в режим сложения оба передатчика настраиваются на одну частоту и возбуждаются от одного возбудителя (переключатели в положении I или II соответственно).

Каждый передатчик работает на свою антенну, являющуюся частью общей антенной системы. Для получения хорошей формы результирующей диаграммы направленности и ослабления взаимного влияния передатчиков друг на друга через антенны расстояние между центрами антенн должно быть (3/4) λ. Антенны при этом должны питаться синфазными токами. Если питающие токи различаются по фазе, то диаграмма излучения антенн (диаграмма направленности) поворачивается. Для корректировки диаграммы направленности и её поворота между возбудителем и одним передатчиком устанавливается фазо-вращатель, например, расстраиваемый контур. Сложение высокочастотных полей в пространстве первоначально нашло применение в КВ-диапазоне.

Метод сложения высокочастотных электромагнитных полей в пространстве в последние 20…30 лет получил развитие и широкое распространение в так называемых фазированных антенных решётках (ФАР) в диапазоне СВЧ. В некоторых ФАР обеспечивается сложение нескольких тысяч относительно маломощных генераторов.

В современных радиопередатчиках всех диапазонов волн широкое применение получил метод сложения мощностей генераторов с помощью мостовых схем. В этом случае при суммировании мощностей двух и более генераторов обеспечивается их взаимная электрическая развязка: каждый из генераторов работает независимо от других на оптимальную для него нагрузку, в то время как у остальных генераторов режим может меняться вплоть до короткого замыкания или холостого хода.

Простейшая мостовая схема для сложения мощностей двух генераторов гармонических сигналов Г1 и Г2 показана на рис.16.3.

Мост образован двумя реактивными сопротивлениями одинакового характера (ёмкостного или индуктивного) Х1, Х2 и двумя резистивными (активными) сопротивлениями: Rн - сопротивление полезной нагрузки, Rб - балластное сопротивление. Без сопротивления Rб нельзя сбалансировать мост и этим развязать генераторы. Поэтому сопротивление Rб в схеме моста называют также развязывающим сопротивлением.

При выполнении условия баланса моста:

Х1Rб = Х2Rн (16.1)

ток (напряжение) одного генератора не попадает в ветвь включения другого генератора, в силу чего режим работы одного генератора никак не сказывается на режиме работы другого генератора.

Пути протекания составляющих комплексных токов генераторов при условии баланса моста (16.1) показаны стрелками на рис.16.3. При этом комплексный ток генератора Г1 I1 = I1/ + I1// , а комплексный ток генератора Г2 I2 = I2/ + I2//.

Схема рис.16.3 является одним из вариантов классической мостовой схемы: конфигурация её напоминает квадрат (или ромб), по сторонам которого включены сопротивления, а в диагонали включены генераторы.

При принятых на рис.16.3 обозначениях и направлениях токов комплексная амплитуда результирующего тока через нагрузку IRН = I1/ + I2/, соответственно выделяемая в нагрузке мощность

комплексная амплитуда результирующего тока через балластное сопротивление IRб = I1/I2//, а выделяемая в нём мощность

Если обеспечить I1/ = I2//, то IRб = 0, PRб = 0 и вся мощность от генераторов Г1, Г2 выделяется на сопротивлении нагрузки RН, то есть происходит сложение мощностей генераторов на сопротивлении нагрузки.

Входные сопротивления моста, нагружающие каждый из генераторов в схеме рис.16.3, не являются одинаковыми и определяются параллельным соединением сопротивлений ветвей, подключаемых к соответствующей диагонали.

При принятых на схеме рис.16.3 обозначениях входное сопротивление моста для генератора Г1:

(16.2а)

для генератора Г2:

(16.2б)

Как видим, входные сопротивления моста со стороны каждого из генераторов являются комплексными и отличающимися от сопротивления полезной нагрузки RН.

Неравенство входных сопротивлений моста (16.2) для каждого из генераторов приводит к тому, что при идентичности генераторов и синфазном возбуждении их токи в ветвях моста не будут одинаковыми: равными по амплитуде и совпадающими по фазе. Однако в мостовых схемах можно и не требовать точного равенства и синфазности токов генераторов в ветвях моста. Это также, помимо электрической развязки генераторов при балансе моста, является одним из достоинств сложения мощностей генераторов с помощью мостовых схем.

Так как при разработке генератора известно сопротивление полезной нагрузки RН, то, очевидно, целесообразно для удобства реализации моста принять Х1 = Х2 = Х, тогда Rб = RН. В этом случае в схеме (рис.16.3) обеспечивается равенство токов: I2/ = I2//.

В схеме рис.16.3 ток I1/ определяет потребляемую от генератора Г1 мощность, а ток I1// - реактивную мощность этого генератора. Токи I2/ и I2// определяют потребляемую от генератора Г2 мощность и реактивную мощность этого генератора.

Очевидно, если в схеме рис.16.3 I1/ = I2//, то при Х1 = Х2 = Х и Rб = RН:

IRН = I1/ +I2/ = I1/ + I2// = 2I1/; IRб = 0.

Соответственно РRб = 0, , где - амплитуда тока I1/.

При работе только генератора Г1 потребляемая от него мощность выделяется на сопротивлениях Rб, RН и при Rб = RН , Х1 = Х2 = Х будет:

При работе только генератора Г2 потребляемая от него мощность также выделяется на сопротивлениях Rб, RН и при Rб = RН , Х1 = Х2 = Х будет:

,

где - амплитуды соответствующих токов I2/ = I2//.

Очевидно, при I1/ = I2/ = I2//: РГ1 = РГ2 = РГ.

Как видим, при выполнении баланса моста и равенстве токов от обоих генераторов через ветви с резистивными (активными) сопротивлениями Rб, RН :

РRН = PГ1 + РГ2 = 2РГ,

то есть имеет место сложение мощностей генераторов на сопротивлении нагрузки RН. Равенство токов через Rб, RН от генераторов Г1, Г2 соответствует равенству мощностей, потребляемых от этих генераторов: РГ1 = РГ2.

Итак, при Х1 = Х2 = Х , Rб = RН в рассматриваемой схеме моста (рис.16.3) ток I2 генератора Г2 поровну распределяется между ветвями с сопротивлениями (RН + jX) и (Rб + jX): I2/ = I2//.

Активная составляющая I1/ тока I1 генератора Г1, протекающая через ветвь из сопротивлений RН, Rб, в общем случае связана с током I2/ (или I2//) соотношением

где - коэффициент, учитывающий различие токов генераторов по амплитуде и фазе, протекающих через ветви с сопротивлениями RН, Rб.

Результирующий ток через сопротивление нагрузки RН:

Амплитуда тока через нагрузку

Результирующий ток через балластное сопротивление Rб:

Амплитуда тока через балластное сопротивление Rб:

Мощность, выделяющаяся на сопротивлении нагрузки RН,

Мощность, выделяющаяся на балластном сопротивлении Rб,

Отношение мощности РRн, выделяющейся в полезной нагрузке, ко всей мощности (РRн + РRб), выделяющейся на обоих сопротивлениях RН, Rб, называется коэффициентом полезного действия (КПД) моста. Обозначая КПД моста ηМ, на основании последних соотношений при Rб = RН получаем:

(16.3)

Из (16.3) следует, что при равенстве токов I1/, I2/ по амплитуде (А = 1) и синфазности их (= 0) КПД моста ηМ = 1 (100%). Если токи синфазные ( = 0), но разнятся по амплитуде в два раза (А = 2 или А = 1/2), то ηМ = 0,9 (90%). Если токи одинаковы по амплитуде (А = 1), но отличаются по фазе на ±40°, то КПД моста также оказывается порядка 0,9 (90%), то есть только десять процентов суммарной мощности генераторов теряется в балластном сопротивлении. При А = 1 и = ±180° ηМ = 0 и вся мощность от обоих генераторов выделяется на балластном сопротивлении, то есть RН и Rб «меняются ролями».

При выключении (выходе из строя) одного из генераторов (А = 0 или А = ∞) КПД моста ηМ = 0,5 (50%), то есть половина мощности работающего генератора теряется на балластном сопротивлении, что крайне невыгодно.2 Мощность в полезной нагрузке RН при этом оказывается в 4 раза меньше по сравнению с режимом работы двух генераторов при условии А = 1, = 0. Поэтому при выключении одного из генераторов целесообразно работающий генератор переключить с моста сложения непосредственно на полезную нагрузку, чтобы избежать потери мощности в балластном сопротивлении. Обычно это делается автоматически с помощью системы обхода моста, подключающей работающий генератор к полезной нагрузке, минуя мост. При подключении работающего генератора к полезной нагрузке, минуя мост, выделяемая на полезной нагрузке мощность будет только в два раза меньше по сравнению с режимом работы двух генераторов при условии А = 1, = 0. Уменьшение мощности в полезной нагрузке в 2 раза по сравнению с номинальным режимом, имеющим место при работе двух генераторов, в большинстве случаев позволяет решать, пусть и в не полном объёме, задачи, возлагаемые на радиотехническую систему. Например, мостовые схемы сложения мощностей генераторов широко используются при построении выходных каскадов телевизионных радиопередатчиков. Уменьшение мощности телевизионного радиопередатчика в 2 раза лишь сокращает зону уверенного приёма телевидения (уменьшение мощности в 4 раза приводит к более существенному сокращению зоны уверенного приёма телевизионного сигнала).

Выход из строя одного из генераторов является наихудшим случаем для режима балластного сопротивления Rб. Большая расфазировка генераторов (величина |φ| > 90° , включая =±180°) может быть только результатом грубой технической ошибки. Если исключить последнюю из рассмотрения, то КПД моста ниже 50% не должен случиться. Следовательно, балластный резистор Rб может выбираться на мощность рассеяния не более 0,25РRН = 0,5РГ. Введение системы обхода моста позволяет устанавливать в схему балластный резистор Rб с допустимой мощностью рассеяния, существенно меньшей указанной выше. В общем случае допустимая мощность рассеяния балластного резистора устанавливается с учётом возможных значений А и при работе обоих генераторов.

Переключение работающего генератора на полезную нагрузку, минуя мост, просто осуществить, если входное сопротивление моста, нагружающее генератор, равно RН. Рассматриваемая схема моста (рис.16.3) не обладает таким свойством.3 Ей присущи и другие недостатки. В частности, ни одна из точек моста не имеет соединения с землёю (корпусом). Если одну точку моста соединить с землёю (корпусом), то один из генераторов всё равно не будет иметь такого соединения. Следовательно, схема рассматриваемого моста неудобна как при использовании симметричных (двухтактных) генераторов, так и при использовании несимметричных (однотактных) генераторов. Очевидно, используя трансформаторы с коэффициентом трансформации 1:1, можно осуществить переход от симметричного (несимметричного) элемента мостовой схемы к несимметричному (симметричному) элементу. По этой причине, несмотря на отмеченные недостатки и малую практическую пригодность мостовой схемы (рис.16.3), записанные при рассмотрении её соотношения для PRн, PRб, ηМ имеют общий характер и справедливы для любой мостовой схемы сложения мощностей двух генераторов одинаковой мощности.

Возможна реализация моста (рис.16.3) для сложения неравных мощностей при определённом их соотношении без потерь в балластном сопротивлении Rб, то есть с КПД моста ηМ = 1 (100%). Для этого необходимо, чтобы токи генераторов в ветви с балластным резистором Rб были одинаковы.4

Если в схеме моста (рис.16.3) вместо генераторов Г1, Г2 включить сопротивления, комплексно-сопряжённые с ZВХ Г1, ZВХ Г2 (16.2), а вместо RН, Rб включить генераторы Г1, Г2, то генераторы также будут работать независимо друг от друга и при соответствующих амплитудных и фазовых соотношениях между напряжениями (токами) генераторов суммарная мощность будет выделяться на активной (резистивной) составляющей одного из комплексно-сопряжённых сопротивлений, то есть преобразованная схема будет также проявлять свойства электрического моста. Преобразованная схема моста показана на рис.16.4, где Z*ВХ Г1, Z*ВХ Г2 – соответствующие комплексно-сопряжённые с ZВХ Г1, ZВХ Г2 сопротивления.

В отличие от схемы рис.16.3 в схеме рис.16.4 оба генератора и одно из сопротивлений могут иметь, как показано на рис.16.4, соединение с землёю (корпусом), что является важным преимуществом схемы рис.16.4.

Если в схеме классического моста (рис.16.3) RН = Rб, Х1 = Х2 = Х, то преобразованная схема (рис.16.4) оказывается симметричной по отношению к каждому из генераторов и обеспечивает суммирование равных мощностей идентичных генераторов. Более того, если в схеме классического моста (рис.16.3) реализовать |X| = Rб = RН, то активная (резистивная) и реактивная составляющие входного сопротивления ZВХ Г2 в параллельной схеме замещения оказываются равными по величине RН.5 При этом характер реактивной составляющей входного сопротивления ZВХ Г2 в параллельной схеме замещения совпадает с характером Х. Очевидно, у комплексно-сопряжённого сопротивления Z*ВХ Г2 в параллельной схеме замещения активная (резистивная) и реактивная составляющие по величине также будут равны RН, но характер реактивной составляющей этого сопротивления будет противоположен характеру Х. У комплексно-сопряжённого сопротивления Z*ВХ Г1 на основании (16.2а) получаем для активной (резистивной) и реактивной составляющих в параллельной схеме представления соответственно 2RН и –j2X (обратим внимание, что по величине реактивные составляющие сопротивлений ZВХ Г1 и Z*ВХ Г1 равны 2RН, но имеют противоположный характер). Соответственно, входное сопротивление моста по схеме рис.16.4 оказывается чисто активным (резистивным) для каждого из генераторов и равным RН. Это позволяет при выходе из строя одного генератора другой подключить непосредственно к нагрузке RН, используя систему обхода моста. Очевидно, при конструировании рассматриваемого моста полезная нагрузка RН должна входить в качестве активного (резистивного) сопротивления в ветвь Z*ВХ Г2. Результирующее сопротивление ветви может рассматриваться как комплексное сопротивление нагрузки . Активное (резистивное) сопротивление 2RН в ветви Z*ВХ Г1 является балластным сопротивлением (балластным резистором). Параллельно этому резистору подключается реактивное сопротивление ±j2RН (напомним, характер этого сопротивления, то есть знак «+» или «–», противоположен характеру реактивных сопротивлений в схеме классического моста (рис.16.3)). Следовательно, Z*ВХ Г1 выполняет роль балластного сопротивления комплексного характера . Если Х1 = Х2 = Х и мост сбалансирован, то входное сопротивление моста для каждого из генераторов не зависит от их режимов и равно:

(16.4)

Приведенное выражение для входного сопротивления ZВХ может быть записано непосредственно из рассмотрения номинального режима работы мостовой схемы рис.16.4. Действительно, когда оба генератора одинаковы, то тока через балластное сопротивление при их совместной работе не будет, а через комплексное сопротивление нагрузки будет протекать удвоенный ток. Соответственно, каждый генератор в номинальном режиме работы моста ощущает сопротивление в виде последовательного соединения сопротивления ветви jX и удвоенного комплексного сопротивления нагрузки .

На рис.16.5 представлены варианты схемы моста (рис.16.4) при индуктивном и ёмкостном характерах сопротивлений Х1, Х2 в схеме классического моста (рис.16.3) при условии Х1 = Х2 = Х, |X| = Rб = RН. Входные сопротивления мостов (рис.16.5) оказываются равными RН со стороны каждого генератора, как в номинальном рабочем режиме, так и при отклонении от него, в том числе и при выходе из строя одного из генераторов (обрыв, короткое замыкание), в чём предлагается убедиться читателю, проверив заодно и справедливость выражения (16.4).

Мосты по схеме рис.16.4, соответственно и по схемам рис.16.5, известны как Т-образные мосты, или Т-мосты. Первоначально такие мосты нашли широкое применение при построении радиопередатчиков километровых, гектометровых и декаметровых волн.

Если в схеме классического моста (рис.16.3) условие баланса моста (16.1) при выборе Х1 = Х2, соответственно Rб = RН, будучи выполненным на одной частоте, выполняется в неограниченной полосе частот, то в Т-мостах условие баланса моста выполняется только на одной частоте. При отклонении от этой частоты условие баланса моста6 нарушается и развязка генераторов ухудшается. В схемах рис.16.5 реактивные сопротивления продольных ветвей, включая реактивную составляющую балластного сопротивления, образуют параллельный колебательный контур, резонансная частота которого совпадает с рабочей частотой генераторов. Условие резонанса контура из L,C – элементов выполняется только на одной частоте. Следовательно, полосовые свойства Т-мостов ограничены. При перестройке генераторов по частоте условие баланса Т-моста и его свойства могут быть восс тановлены соответствующей перестройкой реактивных элементов схемы.

Известны и другие реализации Т-мостов, в том числе и для сложения генераторов неравных мощностей без потерь в балластном сопротивлении. В последнем случае реактивные сопротивления плеч моста Х1Х2.

Д ля сложения мощностей симметричных (двухтактных) генераторов можно использовать два Т-моста, включенных по схеме рис.16.6. Недостаток схемы – узкополосность развязки генераторов. Вследствие этого при перестройке генераторов необходимо производить настройку мостов, что представляет определённые неудобства. Если складываемые мощности одинаковы и генераторы идентичны, то целесообразно использование моста по схеме рис.16.7. На схеме показаны пути протекания токов генераторов через нагрузку RН и балластный резистор Rб = RН. Преимуществами моста по схеме (рис.16.7) являются его простота и полная симметричность. Баланс моста выполняется в неограниченной полосе (диапазоне) частот.

Недостатком моста по схеме рис.16.7 является комплексный характер входного сопротивления и неравенство его активной (резистивной) составляющей сопротивлению нагрузки RН. Рассматриваемый мост может быть выполнен на индуктивностях – катушках. Однако реализация моста на ёмкостях – конденсаторах предпочтительнее, во-первых, из-за простоты в обеспечении симметрии устройства и, во-вторых, из-за уменьшения потерь мощности в реактивных элементах моста: собственные потери в конденсаторах существенно меньше, чем в катушках индуктивности.

Соседние файлы в папке лекции по УГФС (13-18)