Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Лекции по курсу УГиФС / 10_Цепи согласов.ppt

Скачиваний:

Добавлен:

12.03.2015

Размер:

1.96 Mб

Скачать

☆

1 / 41 2 3 4 > Следующая >>>

Цепи согласования АЭ с нагрузкой

Требования к ЦС

Для работы АЭ в оптимальном КР режиме в выходную цепь необходимо включить сопротивление нагрузки RНКР. Но сопротивление ZП=rп+jxп реального потребителя ВЧ энергии в общем случае отличается от RНКР.

Для выходных УМ ZП=ZВХ антенны, пересчитанное ко входу фидера,
для промежуточных ZП – сопротивление ZВХ последующего каскада.
.		.	I. ВЫХ1		IП
I ВХ1		IВЫХ1	I. ВЫХ1		IП
.	АЭ	.		ЦС		.		Рис.1. Общая схема
UВХ	.	U ВЫХ1 .			.		YП=1/ZП	выходной цепи
			UH	.	.			усилителя мощности
			UH	.	UП			усилителя мощности
	[Y]			[y]	UП

Первая функция цепи согласования (ЦС, рис.1) – преобразование комплексного сопротивления ZП на рабочей частоте в оптимальное сопротивление для АЭ - RНКР.

Вторая функция – ослабление (фильтрация) высших гармоник в нагрузке до допустимого уровня их мощности, напряжения или тока.

Кроме этого, ЦС должна обеспечивать:

• малые потери мощности на раб (или в нужной полосе частот) – высокий КПД ;

•	работу на нужном уровне колебательной мощности, токов и напряжений;	1
•	требования к габаритным размерам, стоимости, надежности и др.

Различают две постановки задачи согласования АЭ о нагрузкой:

•на фиксированной частоте

•в заданной полосе частот.

Впервом случае условия близости ZH к RНКР выполняются в узкой области около частоты согласования и изменение частоты возбуждения требует перестройки ЦС.

Во втором рабочую частоту можно менять в пределах полосы согласования, причем режим АЭ будет оставаться близким к оптимальному с заданной точностью.

Усилители без перестройки имеют эксплуатационные преимущества перед усилителями с перестройкой.

При идеальной ЦС (состоящей только из реактивных элементов) вся мощность от АЭ передавалась бы в ZН.

В реальных ЦС всегда есть потери, которые необходимо учитывать при расчете теплового режима элементов ЦС и фактической полезной мощности РП в нагрузке.

В реальных усилителях параметры АЭ, сопротивления RНКР и Zп отличаются от расчетных. Элементы ЦС также имеют погрешность.

Поэтому для получения оптимальных режимов всех каскадов необходимо

обеспечить возможность подстройки параметров ЦС (должны быть предусмотрены

регулировочные элементы ).

Условие согласования АЭ с нагрузкой на заданной частоте

В выходной цепи УМ на рис.1 АЭ соединен с нагрузкой YП=ZП–1 через ЦС -согласующий четырехполюсник с комплексными у-параметрами: у11, у12, у21, у22.

.		.	I. ВЫХ1		IП		у11=I1/U1 –вх. пров.;
I ВХ1		IВЫХ1	I. ВЫХ1		IП		у11=I1/U1 –вх. пров.;
		.					y12= I1/U2 – пров. ОС;
.	АЭ			ЦС		.	y12= I1/U2 – пров. ОС;

		U ВЫХ1	.				y21= I2/U1 - крутизна;
		U ВЫХ1					y21= I2/U1 - крутизна;
UВХ	.				.	YП=1/ZП
			UH	.	.		y22= I2/U2- вых. пров.
			UH	.	UП
	[Y]			[y]	UП

Соотношения для комплексных амплитуд токов АЭ IВЫХ1 и нагрузки IП и напряжений

UH и UП:

–IВЫХ1 = у11(–UH)+у12(–UП)	\| :	–UH
–IП = у21(–UH)+у22(–UП)	\| :	UП	(1)
Выразим входную проводимость ЦС со стороны АЭ
YH = IВЫХ1/UH = у11+ у12(UП/ UH)
через проводимость нагрузки
YП = 1/ZП = –IП/UП = –у21(UH/UП)–у22			3
и матричные элементы схемы:

YH = у11+ у12 у21/(YП+у22)

(2)

ЦС представляет собой линейный пассивный взаимный четырехполюсник, у которого у12 = у21.

Пусть ЦС содержит только реактивные элементы (активные gij=0):
y11 jb11 ,	y12 y21 jb12 ,	(3)

YП y22 GП jBП jb22ЦС GП jb22

jb22

В последнем равенстве мнимая составляющая проводимости потребителя jВП отнесена к элементу jb22 ЦС.

Тогда выражение (2)

YH = у11+у12 у21/(YП+у22)

с учетом (3) можно

преобразовать в следующее:

YН jb11 G

(4)

j b11

b12

GПb12

b22b12

YН jb11		b2		G b2		b b2
YН jb11	G jb		G2 b2		j b11	G2 b2
		12		П 12		22	12

		П 22		П 22		П	22

Для работы АЭ в КР нужно, чтобы мнимая составляющая проводимости нагрузки Im{YН} на рабочей частоте обращалась в нуль, а вещественная часть

Re {YH} была равна GНКР=1/RНКР. Эти условия приводят к двум уравнениям:
GПb122 GП2	b222	GНКР			(5)
b11 b22b122	GП2	b222 0			(5)
b11 b22b122	GП2	b222 0
Второе уравнение можно упростить, заменив в нем дробь b2			/(G 2+b2	22	)
отношением GНКР/GП. Тогда		12	П	22
отношением GНКР/GП. Тогда
b11 b22GНКР		GП 0			(6)
					(6)

Т.о., для определения матричных элементов b11, b12, b22 через заданные проводимости GНКР и GП имеется два уравнения (5) и (6). Еще одно уравнение можно

составить, например, из условия удобства реализации схемы ЦС или других
соображений.	2	2	2	GНКР
	GПb12	GП b22

b11 b22GНКР GП 0

Оценка фильтрации высших гармоник цепью согласования

Для расчета фильтрации высших гармоник в ЦС нужно знать сопротивления нагрузки и элементов ЦС на частотах гармоник.

Отношение мощности Рn, передаваемой на вход ЦС на частоте гармоники с

номером n, к P1 рассчитывается по формуле
Р	/Р =(I	/ I	)2 R		n	/ R		(7)
n	1	ВЫХn ВЫХ1		H	n		H
	1	ВЫХn ВЫХ1		H			H

где RH и RHn – активные составляющие входного сопротивления ЦС (нагруженной на ZП) на рабочей частоте 1 и частоте n n-й гармоники.

Найденные из (7) значения Рn (при малых потерях в ЦС) полагаем равными

излучаемой мощности, и их надо сравнивать с допустимой мощностью излучения на каждой из гармоник.

Отношение n-й и 1-й гармоник тока коллектора равно IВЫХn/IВЫХ1= n( )/ 1( ), и при данном n зависит только от угла отсечки .

Второй сомножитель в (7) RHn/RH определяется элементами ЦС и

проводимостью	нагрузки YH на рабочей частоте и YНn - на частоте n-гармоники.
Обозначим	RНn / RН=Fn	(8)
и назовем коэффициентом фильтрации на n-й гармонике.		6
и назовем коэффициентом фильтрации на n-й гармонике.

При n=2 [ n( )/ 1( )]2 с увеличением от 60 ° до 110° убывает от 0,5 до 0,06. С ростом n при каждом значении отношение [ n( )/ 1( )]2 быстро падает.

Для =90° [ 2(90°) / 1(90°)]2=0,18.

	В общем случае при известных значениях комплексной входной проводимости
нагрузки коэффициент фильтрации Fn=Re(l/YHn) / Re(1/YH).
	При настроенной нагрузке, т. е. при Re{Y				–1}=R	=1/G	НКР	, и для ЦС, состоящих
					H	HКР
из реактивных элементов (3), коэффициент фильтрации
(4)		b122	Fn		Gнкр Gпnb122 n

	YН jb11			b11nb22n b122 n 2 Gп2nb112 n (10)

		GП jb22

где b11n, b12n, b22n – матричные элементы ЦС, a GПn – вещественная проводимость нагрузки, вычисленные для n-й гармоники. Мнимая проводимость нагрузки BПn отнесена к b22n.

Этим выражением удобно пользоваться для расчета относительного уровня мощности гармоник по (9)

Рn / Р1 = [ n( ) / 1( )]2 Fn

и сравнения качества фильтрации различными ЦС.

Простейшие ЦС ламп с нагрузкой на заданной частоте

Рассмотрим простейшие схемы ЦС, которые получаются из П-образной схемы замещения четырехполюсника (рис.2) с реактивными элементами

Y1= jВ1, Y2= jB2, Y3= jВ3.

(G1,2,3 = 0)

IВЫХ1

IП

Для ламповых выходных УМ

характерно большое

сопротивление

UН

Y2 UП

нагрузки RHКР – единицы килоом и малое

RНКР

сопротивление излучения антенны

–

rП

десятки ом. При этом ЦС преобразует

Рис.2. Эквивалентная схема ЦС с нагрузкой

малое сопротивление потребителя rП в

большое RНКР.

Поскольку GНКР/GП = rП/RНКР<<1,

в уравнении (6)

b11- b22GНКР /GП = 0 при малых

значениях b22 можно пренебречь вторым слагаемым.

Тогда	b11= B1+B3 0					(11)
Уравнений (11) и (5)	G	b2	(G2	b2	) G	недостаточно для
Уравнений (11) и (5)	п	12	п	22	нкр	недостаточно для

определения В1, B2 и В3.

а)

ЦС

б)

в)

Рис.3. Простейшие схемы ЦС с нагрузкой в ламповых схемах

Примем для упрощения В2= 0 и BП = 0 (рис. 3а)

G 2

(G2

) G

В этой схеме b12= –В3, b22=В3

(при КЗ входа) и вытекающее из (5)

п b12

нкр

равенство

G (1 G

/ G ) G G

нкр п

нкр

нкр п

позволяет найти

GнкрGп

(12)

Вместе с (11)

b11= B1+B3 0, представляющим собой в этом случае

условие параллельного резонанса контура (B1=-B3), формула (12) определяет оба реактивных элемента ЦС на рис.3а.

Простейшие схемы, удовлетворяющие указанным условиям, представляют собой варианты одноконтурной ЦС с включением нагрузки в емкостную (рис.3б)9 или индуктивную (рис.3в) ветвь.

Выразим параметры контуров – , rп, QH и RH– через B1 и Gп:

r	=1/G ;	Q = /r = G	П	/ B	;	R	=1/G = Q = r Q 2;	(13)
П	П	Н П	П	1		Н	Н Н П Н

Сравнение коэффициентов фильтрации Fn для схем на рис.3б (ФВЧ) и

3в (ФНЧ) показывает, что мощность n-ой гармоники в нагрузке, включенной в емкостную ветвь, окажется в n4 раз больше мощности той же гармоники в нагрузке, включенной в индуктивную ветвь контура.

Недостатком этих схем, кроме низкой фильтрации гармоник, является необходимость при регулировке GН одновременно изменять В1 и В3, что неудобно.

Желательно регулировать GH, не перестраивая контур по частоте.

Такая возможность появляется в одноконтурных ЦС с частичным подключением лампыПосколькуконтуру.rП=Gп–l задано, добротность QH

нагруженного контура возрастает и фильтрация гармоник улучшается.

Из соотношений (11)

b11=B1+B3 0

ЦС

и (12)

B3 GнкрGп

(рис.3а)

с учетом (13) и

jХ1=1/jВ1,

jХ3=1/jВ3 :

+Х

=0; R

НКР

= Х 2/r

(14)

Если в схеме на рис.3а принять Х1= ВХL1 >0,

X3=–1/ ВХС3+ ВХL3 < 0, получим ЦС с частичным подключением лампы к индуктивной ветви (рис.4а).

Если же положить Х1= –1/ ВХС1 < 0, Х3= ВХL3–1/ ВХС3 > 0, то получим ЦС с частичным

подключением лампы к емкостной ветви (рис. 4б).
Степень связи лампы с контуром определяется
коэффициентом включения
p=\|X1\| /	(p			(15)
где для схемы на рис.4а		= ВХL, L=L1+L3,		р=L1/L
и для схемы на рис.4б		=1/ ВХС, 1/С=1/С1+1/С3,
р=С/С1.
Изменяя р при постоянных L и С, можно, не
расстраивая контур,2 регулировать2 2			нагрузку2	АЭ
Rн X1	/ rп p	/ rп p Qн

а)

б)

Рис.4. ЦС с частичным подключением лампы к контуру

и добиться равенства RH=RHКР.

Влияние выходной

емкости лампы САК легко устранить, изменив С или L.

Значение Qн при частичном включении получается в 1/р раз выше и в 1/р2 раз

уменьшается относительный уровень мощности, излучаемой на гармониках.

L C

>> (rc, rL)

P 1

Схемы параллельных контуров: контур первого вида (а),

контур второго вида (б), контур третьего вида (в)

Rэкв= 2/r=L/rC=Q

Rэкв=p2Qr

p=1

p=L1/L, L=L1+L2

p=C/C1=C2/(C1+C2)

Эквивалентное сопротивление параллельного колебательного контура Roe						и
характеристическое сопротивление можно менять (меняя L, C), сохраняя при
этом резонансную частоту	p.
L		L			С/
		L			L
	C *		C *		L
*	C *		C *		С/
CВЫХ					С/
CВЫХ
АЭ		CВЫХ		CВЫХ	С/
*	*	CВЫХ	*	CВЫХ	С/	12
*	*	АЭ	*	АЭ		12
		АЭ		АЭ
а		б			в

1 / 41 2 3 4 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке Лекции по курсу УГиФС

#
12.03.20151.19 Mб830_Контур.ppt
#
12.03.20151.96 Mб9710_Цепи согласов.ppt
#
12.03.2015725.5 Кб9311_Схемы ГВВ.ppt
#
12.03.20151.01 Mб8912_Сложение мощностей АЭ.ppt
#
12.03.2015166.91 Кб8112Сложение мощностей АЭ_доп.ppt
#
12.03.20151.49 Mб10013_ШПУ.ppt
#
12.03.20152.7 Mб13114_Синтезаторы частоты_B.ppt