книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник

Г Л А В А Ш Е С Т А Я

ВЫХОДНЫЕ И ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ КАСКАДЫ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ

6.1. ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

Выходным или оконечным называется последний, наи­ более мощный каскад радиопередатчика, нагруженный антенной. Его основное назначение — создать в антенне колебания заданной мощности во всех обусловленных режимах работы. Выходной кас­ кад потребляет наибольшую часть мощности источников электро­ питания (до 80—90%) и поэтому должен работать с высоким ко­ эффициентом полезного действия.

Нагрузка выходного каскада — антенна — включается в его анодную цепь непосредственно или через промежуточный контур (один или несколько). В соответствии с этим схемы выходных це­ пей — элементов анодного контура и антенны — разделяются на

простые и сложные.

Простыми схемами называются такие, в которых антенна не­ посредственно включается в анодную цепь лампы и образует вы­

Импульсная работа ламп выходного каскада в режимах с отсеч­ кой В или С приводит к появлению ряда высших гармонических составляющих анодного тока, которые могут излучаться антенной и создавать помехи радиостанциям, работающим на частотах, рав­ ных частотам гармоник.

Простая одноконтурная схема выходного каскада не может обеспечить необходимого подавления побочных излучений и поэто­ му почти не находит применения в современных радиопередатчи­ ках. Для улучшения борьбы с побочными излучениями применя­ ются сложные схемы выходных цепей. Кроме того, на выходе пе­ редатчиков ставятся специальные фильтры.

Сложные схемы выхода обычно представляют собой систему связанных контуров, состоящую из анодного контура каскада, про­ межуточных контуров — одного или нескольких — и контура ан­ тенны. Наиболее распространены системы с двумя «ли тремя кон­ турами.

Выбор схемы построения выходных цепей определяется назна­ чением передатчика, условиями его эксплуатации, диапазоном ра­ бочих частот, применяемой антенной, требованиями допустимых побочных излучений (гармоник и субгармоник) и заданной поло­ сой пропускания спектра боковых колебаний передаваемого сиг­ нала.

Антенна подключается к выходу передатчика либо непосред­ ственно, либо при помощи фидера и является сложной нагрузкой, так как в зависимости от формы и геометрических размеров ее входное сопротивление на разных частотах может быть трех видов:

—чисто активным га;

—активно-емкостным (гА—iXA);

—активно-индуктивным (rA + iXA).

Передача колебательной мощности в антенну наиболее выгод­ на, когда ее входное сопротивление будет чисто активным, а его величина, пересчитанная в анодную цепь выходного каскада, сог­

вается в резонанс на рабочую (несущую) частоту передатчика, в ее цепь включается элемент настройки. Реактивное сопротивление элемента настройки антенны Ап по сравнению с реактивной со­ ставляющей входного сопротивления антенны Ха д о л ж н о быть противоположного характера. Например, если входное сопротивле­ ние антенны носит емкостный характер, то элемент настройки дол­ жен носить индуктивный характер и наоборот. В зависимости о г величины активной составляющей входного сопротивления антен­ ны гА применяются две основные схемы с последовательным пита­ нием антенны (рис. 6 .2 а) и параллельным (рис. 6.26).

Большинство антенн средних волн имеет небольшую величину входного сопротивления гА (единицы и десятки ом) и емкостный характер реактивной составляющей входного сопротивления. Такие антенны включаются последовательно вместе с элементами наст­ ройки (рис. 6 .2 а) и легко согласуются с анодным контуром выход­ ного каскада.

В случаях большой величины активного сопротивления антен­ ны ее последовательное включение дает плохое согласование с

162

анодным контуром. Тогда применяется параллельная схема вклю­ чения. В этом случае параллельно антенне включается реактивное сопротивление для ее настройки и согласования с анодным конту­ ром (рис. 6.26).

В соответствии с назначением выходной каскад должен обес­

тельного контура т}к, осуществляющего связь с антенной. Кпд кон­ тура показывает, какая часть мощности генератора передается в нагрузку — антенну. Обычно кпд контуров выходных каскадов ле­ жит в пределах 0,8—0,98 (верхний предел для передатчиков мощ­ ностью свыше 100 кВт);

2 ) заданной полосы пропускания боковых колебаний, которые возникают при управлении колебаниями высокой частоты передат­ чика (модуляции, манипуляции).

Под шириной полосы принято понимать величину расстройки контура, при которой мощность в нагрузке изменяется не более чем в два раза относительно максимального значения на резонанс­ ной частоте. Таким образом, на крайних частотах боковых коле­ баний /о+ Л/ и /о—Af мощность уменьшается вдвое (ток контура в

У~2 ), что считается допустимым. Полоса пропускания нагружен­ ного контура равна:

контура; Ra, = р Q' — резонансное сопротивление нагруженного кон­ тура при резонансной частоте fo. Широкую полосу пропускания выходного каскада необходимо обеспечить при достаточно широ­ ком спектре частот сигнала, например, в передатчиках радиове­ щания, телевидения и многоканальной связи;

3) заданного (минимального) уровня побочных излучений. Пе­ редатчик, кроме основного колебания /о=/н, создает и побочные. Это могут быть гармоники и субгармоники основных колебаний, образующиеся в результате нелинейных преобразований в его кас­ кадах. Вследствие этого в выходных цепях передатчика должны предусматриваться меры подавления излучения всех побочных ко­ лебаний. По существующим международным нормам мощность побочных излучений передатчика должна быть меньше мощности основных колебаний не менее чем на 40 дБ и по абсолютной вели­ чине не превосходить 50 мВт при рабочих частотах /н<30М Гц или 1 Вт при /н> 30 МГц.

Свойство выходной колебательной системы передатчика ослаб­ лять (фильтровать) гармоники, кратные несущей частоте передат­ чика, оценивается так называемым коэффициентом фильтрации

ф — linlL ai_ показывающим, во сколько раз ослаблено отно-

1 А пН А

шение тока /i-й гармоники к основному колебанию в антенне по сравнению с тем же отношением /an//ai в анодной цепи.

Значение фильтрации тем больше, чем больше добротность кон­ тура. Поэтому требование пропускания достаточно большой поло­ сы (где необходимы малые значения Q) и получение высокой фильтрации являются противоречивыми.

Сложная схема выходной цепи из двух или более настроенных контуров значительно ослабляет излучение гармоник антенной.

6.2. СЛОЖНЫЕ СХЕМЫ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Физические процессы и основные соотношения в сложной схеме выхода следуют законам связанных цепей, так как анодная цепь выходного каскада является системой связанных контуров, которые настраиваются на рабочую частоту передатчика /n = fo-

В генераторе со сложной двухконтурной выходной системой ко­ лебательная мощность передается в контур антенны из анодного через элемент связи; в случае трансформаторной связи сопротив­ ление связи ХСв= юА5г (рис. 6.3). Как известно, связь контуров мо­

жет быть трансформаторной, индуктивной, емкостной или смешан­ ной. Наиболее выгодным режимом работы связанных контуров следует считать такой, при котором мощность, передаваемая в контур антенны Р ~2 , будет наибольшей. В рассматриваемой двух­ контурной системе это характеризуется коэффициентом полезного действия анодного контура г|К= Р ~ 2 /-Р~, где Р~*%— мощность, пе­ редаваемая в контур антенны; Р„ — колебательная мощность, раз­ виваемая выходным генератором.

Таким образом, мощность в контуре антенны, обычно задавае­ мая в качестве исходной расчетной величины передатчика, будет

Ее наибольшая величина определяется максимальным значе­ нием произведения кпд контура т)к и мощности генератора Р~ . Рассмотрим, от чего зависит величина riu в сложной схеме генера-

164

тора. Оба контура настроены в резонанс. При этом во втором кон­ туре реактивные сопротивления будут равны, т. е. ®0 L2= 1/сооС2. В результате связи контуров вносимое сопротивление будет актив­ ным и равным:

На практике это обычный случай работы генератора на наст­ роенную в резонанс антенну. В результате действия второго, наст­ роенного, Контура активное сопротивление первого (анодного) контура увеличивается на величину вносимого сопротивления и бу­ дет равным:

или на основании выражения (6.3)

Следует помнить, что вносимое сопротивление гва является по­ лезным, так как мощность, затрачиваемая в первом контуре на со­ противлении гви, и определяет передаваемую мощность во второй контур — антенный — при двухконтурной системе. Таким обра­ зом, общая мощность, создаваемая выходным генератором, в анод­ ном контуре может быть представлена как

где Ргк1 — мощность активных потерь в первом (анодном) кон­

туре, а Р ~ 2 — мощность, передаваемая во второй контур; эта мощ­ ность частично расходуется на покрытие активных потерь в эле­

165

где отношение вносимого сопротивления к сопротивлению потерь

ненагруженного анодного контура <гм характеризует степень связи между контурами:

(г]к= 0,9—0,95) необходимо, чтобы вносимое сопротивление гвц бы­ ло больше собственного сопротивления потерь контура ги1 в 1 0 — 20 раз. Однако увеличение степени связи и вносимого сопротив­ ления приводит к увеличению суммарного активного сопротивле­ ния нагруженного анодного контура Г] =*rKiЧ-гвн и вследствие это­ го к уменьшению величины его резонансного сопротивления Дое:

Г 1 Г к 1 + Г т

Зависимость сопротивления Д т от степени связи очевидна из следующих простых преобразований. Разделив числитель и зна­ менатель (6 .1 1 ) на величину гкЬ получим

где Дее хх= р2 /гк1 — резонансное сопротивление ненагруженного анодного контура (так называемое сопротивление холостого хода, т. е. без учета сопротивления гвп).

Таким образом, увеличение степени связи между контурами приводит к росту кпд анодного контура т|и, уменьшению его резо­ нансного сопротивления Дее, переходу генератора в менее напря­ женный режим и уменьшению генерируемой мощности Д ~ (вслед­ ствие перехода генератора ib ненонап ряженный режим).

Уменьшение степени связи приводит к обратным явлениям: уменьшению кпд контура т]к, увеличению резонансного сопротив­ ления Дее (вследствие уменьшения гвн), переходу генератора в бо­ лее напряженный режим1).

Это свойство связанных контуров — изменение вносимого и резонансного сопротивлений при изменении степени связи меокду ними — широко используется в современных радиопередатчиках для плавной регулировки величины Д се, т. е. режима каскада. При­ менявшиеся ранее способы регулирования Дее изменением величины анодной связи с контуром (так называемые контуры вида II и III, рассматриваемые в «Основах радиотехники») невыгодны, так как ведут к снижению кпд и усложняют конструкцию контура, поэто­ му в современных системах анодных контуров передатчиков они не применяются.

Получение необходимой величины резонансного сопротивления контура Дое в заданном режиме работы лампы по напряженности

166

на которой видно, что для получения значения г|к, близкого к 1 , нужно, чтобы отношение Rm/R&xx было мало, т. е. при требуемом (заданном) сопротивлении R & значение R^ хх должно быть воз­ можно большим. Известно, что R & хх—p2 /rK= Qp.

Пути возможного увеличения сопротивления R& в контуре —-

либо увеличение его добротности Q, либо увеличение характери­ стического сопротивления р. Однако получение большого значения добротности Q сильно удорожает стоимость контурной катушки, которая должна выполняться из более толстого провода или труб­ ки. На практике используются контуры с величинами добротности Q ~ 5 0 —300, определяемой в основном добротностью контурной катушки. Эти значения добротности реально осуществляются в контурах средних, коротких и ультракоротких волн. Большими значениями Q можно задаваться при проектировании мощных кас­ кадов (Р ~ — десятки, сотни киловатт). Для маломощных каска­ дов (до 2—3 кВт) выбирают небольшие величины добротности (50—100), это удешевляет и упрощает изготовление катушки кон­ тура. Увеличение характеристического сопротивления контура р = 1/сооСк также повышает сопротивление Дее контура, но оно свя­ зано с уменьшением емкости Ск. Слишком малая величина емко­ сти Ск затрудняет фильтрацию гармоник. На коротких и ультра­ коротких волнах она практически не может быть меньше некото­ рой величины, определяемой междуэлектродными емкостями ламп и монтажа (рассеянной), так называемой начальной емкости кас­ када Сцач= Свых+ С,расс. Кроме того, с увеличением частоты гене­ рируемых колебаний в контуре возрастают активные потери (по­ верхностный эффект и диэлектрические потери), что затрудняет получение требуемого сопротивления R & для заданного режима генератора.

Для сложной многоконтурной схемы выходного каскада вводят понятие результирующего кпд системы. Очевидно, что такой кпд будет равен произведению коэффициентов полезного действия, от­ дельно входящих в систему контуров: т|Рез= Пкг'Пкг ...т1 кп-

Для двухконтурной системы т)рез='ЧкТ]А.= Д~2 /Д—Р~д/Д~ 2 =

=А~а/Я~.

Для трехконтурной системы Т]рез= ')'|к1Т]к2 Т1А= Д~а/Д~.

Очевидно, что с увеличением числа связанных контуров резуль­ тирующий кпд системы падает и конечная полезная мощность в антенне Р ~а уменьшается. Поэтому, несмотря на выгодность ис­ пользования многоконтурных систем из соображения фильтрации гармоник, обычно ограничиваются двумя или тремя контурами.

167

ПОРЯДОК РАСЧЕТА

При заданной техническими условиями на передатчик мощности в антенне Р ~арасчет выходного каскада сложной схемы сводится к следующим операциям:

1. Ориентировочному выбору кпд контура или системы конту­ ров Цкрез> что делается на основании опытных данных (ориентиро­ вочные значения т]к приводятся в расчетных пособиях).

2.Определение колебательной мощности генератора

=рез-

3.Электрическому расчету режима лампы каскада в известном

порядке (§ 4.10) на заданную колебательную мощность из этого расчета становятся известными токи, напряжения и вели­ чина сопротивления нагрузки Ra .

4. Выбору и расчету элементов анодного контура LKCK, его ха­ рактеристики р и добротности Q (или затухания 6 = 1 /Q), которые позволят реализовать рассчитанную ранее величину

tfce = Q(l — Т1к)р.

Расчет элементов анодного контура удобно начинать с выбора его емкости СК(Сi). Для построения анодного контура, удовлет­ воряющего противоречивым требованиям получения высоких зна­

В диапазоне коротких волн при настройке контура переменной

LK= 0 ,2 8 2 ^ ^ — , мкГн.

[п ф ]

Далее, на основании опытных данных задаются величиной Q (или б) и определяют сопротивление ненагруженного контура R& хх и т)к:

После этого проверяют совпадение получаемой величины с ориентировочно принятой в электрическом расчете. Если величина полученного значения т]к меньше принятой ориентировочно в рас­ чете, то следует либо увеличить величину р путем уменьшения ве-

168

личины емкости контура Ск, либо увеличить значение Q, т. е. улуч­ шить добротность контура. В случае, если все это осуществить трудно или нецелесообразно по конструктивным соображениям, следует изменить режим генератора таким образом, чтобы требуе­ мая величина Ra: была меньше, взяв меньшее значение анодного напряжения Ев и большую величину импульса анодного тока ia макс- В случае необходимости выбирают лампу другого типа с большим током эмиссии.

5. Расчету величины необходимого сопротивления связи Хсв, ко торое для системы связанных контуров определяется из преобра­

x“=i/VA(^f'~1)’ (6-|б>

где гА — активное сопротивление антенны, обычно заданное.

При работе выходного каскада на фидер вместо величины гА подставляют величину рф; р, Q= Ra и /p и Ra xx= p 2 /rKi — парамет­ ры ненагруженного анодного контура.

В случае трехконтурной системы, состоящей из анодного, про­ межуточного и антенного контуров, сопротивление связи анодного контура с промежуточным равно:

где гкг — активное сопротивление потерь второго, промежуточного контура, которое бывает такого же порядка, как и у анодного гк\.

При конструктивной разработке передатчика следует преду­ смотреть наличие органов для плавного изменения связи с конту­ ром антенны, что облегчает регулировку передатчика, подбор ве­ личины Rce и кпд системы контуров.

СХЕМЫ В ДИАПАЗОНЕ СРЕДНИХ ВОЛН

Сложные схемы выходных каскадов, применяемые для средних волн, приведены на рис. 6.4.

Схема с трансформаторной связью рис. 6.4а позволяет плавно регулировать величину связи во время работы передатчика, если индуктивно связанные катушки LCBh l£-cb2 выполнены в виде варио­ метра связи. Сопротивление связи анодного контура с контуром антенны определяется выражением

Индуктивность L3 служит для настройки в резонанс анодного контура, а индуктивность iLa — контура антенны. Емкость Сн уко­ рачивает собственную длину волны антенны.

169

В схеме рис. 6.46 катушки LH и L Cni включены параллельно, это часто применяется на средних волнах. В этом случае через ка­ тушку связи LCBi для лучшей передачи энергии во второй контур должна протекать большая часть тока контура, т. е. (0,7—0,85)/к.

В схеме емкостной связи анодного контура генератора с кон­ туром антенны (рис. 6.4а) сопротивление связи Хсв определяется

Эта схема применяется в передатчиках, работающих на фикси­ рованной частоте, так как плавная регулировка величины связи при больших мощностях невозможна из-за весьма громоздких кон­ денсаторов связи.

Во всех трех схемах рис. 6.4 элементы La и С„ необходимы для настройки (удлинения или укорочения собственной длины) антен­ ны, которая подключена непосредственно к выходу передатчика.

СВЯЗЬ ВЫХОДНОГО КАСКАДА С АНТЕННОЙ ПРИ ПОМОЩИ ФИДЕРА

В случаях, когда антенна удалена от передатчика и не может быть непосредственно подключена к выходному контуру, энергия колебаний к ней передается при помощи открытых фидер­ ных линий или высокочастотного кабеля.

В диапазонах средних волн, где антенны несимметричные, ис­ пользуются проволочные, иногда трубчатые концентрические фи­ дерные линии или высокочастотные кабели.

Наилучшим для передачи энергии в фидере является режим бегущей волны. Он обеспечивается при равенстве сопротивлений нагрузки волновому сопротивлению фидера. В этом случае кана­ лизация высокочастотной энергии йо фидеру проходит без отра­ жений с малыми потерями, т. е. с наивысшим кпд. Поэтому при

170