книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов
..pdfчей частоте » 1, на нижней частоте ц,. имеет значение в сотни, тысячи единиц).
При конструировании ТЛ с применением ферритового магнитопровода максимальное значение электрической длины отрезка выбирается в пределах [5] 0 маКс = «//V < (20...55)°, где совверхняя рабочая частота; V = 3 ■101°/ л/р^ ег [см/с].
На верхней рабочей частоте обычно принимается цг « 1, а ди электрическая проницаемость принимается соответствующей мате риалу изоляции проводов, в качестве которого на СВЧ используется фторопласт, имеющий [5] ег«2,1.
Геометрическая длина отрезка
1макс= ®макс^®в = ©максу/2т1/[Гц] < (0,05...0,15) А.в,
где К - длина волны на верхней рабочей частоте, связанная с дли ной волны в свободном (воздушном) пространстве А,Во соотношени
ем: А.Ц= |
л[^Т^Г |
При |
цг « 1 , бг«2,1 А,В»А.„0/ 1,45. |
Как уже отмечалось, выбор волнового сопротивления линии 2о для изготовления ТЛ на основе отрезков малой электрической дли ны менее критичен к величине сопротивления нагрузки Кн, и долж но выполняться условие 2о < к2Кн, где к2- коэффициент, зависящий от схемы ТЛ.
При малой величине сопротивления нагрузки Кн, удовлетво ряющей последнему соотношению, значение 2о может оказаться настолько низким, что невозможно реализовать линию с требуемым волновым сопротивлением или подобрать из номенклатуры сущест вующих. В этом случае приходится использовать линию с большим волновым сопротивлением, чем требуется: 20> 20треб, а чтобы при близить электрические характеристики реализуемого устройства к характеристикам ТЛ, следует уменьшать длину отрезков, ослабляя этим частотную зависимость величины напряжения на нагрузке [см. (1.253), (1.262), (1.276), (1.292), (1.302), (1.312)]. Если 20> ^треб, то рекомендуется выбирать [5] 0 Макс < (20...25)°.
В заключение обратим внимание, что при реализации ТЛ с ис пользованием феррита для размещения отрезка линии совсем не обязательно применение кольцевого магнитопровода. В случае от резка из полосковой линии можно использовать пластинку феррита,
подложенную под отрезок [10]. Применение кольцевого магнитопровода позволяет уменьшить габариты устройства благодаря на мотке отрезка на кольцо. При этом обеспечивается магнитная связь между проводами отрезка линии из-за появления общего потокосцепления, и при малой длине отрезок линии, по существу, превра щается в две катушки на ферритовом сердечнике с сильной магнитной связью. Кроме того, использование кольцевого магнитопровода позволяет разместить на нем несколько отрезков линии, что также способствует уменьшению габаритов и реализации более удобной конструкции устройства. При размещении нескольких от резков на кольцевом магнитопроводе необходимо соблюдать соот ношение чисел витков и полярность соединения образующихся обмоток из проводов отрезков линии, что приближает ТЛ к транс форматору обмоточного типа. Чем меньше длина отрезков, тем меньше изменение величины тока по длине провода и тем ближе по своим параметрам оказываются ТЛ и трансформатор обмоточного типа с соответствующим количеством и соединением обмоток.
СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ГЕНЕРАТОРОВ
/Т^овольно часто требуемая мощность генератора с внешним -сУвозбуждением (ГВВ) не может быть получена от одного генераторного прибора - активного элемента (АЭ): лампы или тран зистора. Чтобы получить нужную мощность, используют совмест ную работу нескольких АЭ на общую нагрузку. Наиболее простыми способами реализации совместной работы АЭ являются их парал лельное и двухтактное включения. При выполнении определенных условий результирующая мощность в нагрузке равна сумме мощно
стей, создаваемых в выходной цепи каждым АЭ.
2.1.ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
На рис. 2.1 показана схема ГВВ с параллельным включением двух ламп Г] и Гг с общим катодом.
При параллельном включении ламп одноименные электроды соединяются вместе по высокой частоте; по постоянным напряже ниям питания одноименные электроды, кроме анодов, как правило, разделяются. Это делается для того, чтобы можно было произво дить индивидуальную регулировку режима каждой лампы, так как параметры ламп практически не бывают одинаковыми.
В представленной схеме использовано параллельное питание анода, но может быть использовано и последовательное питание. Выбор питания анода определяется теми же соображениями, что и при построении ГВВ на одной лампе [5, 10, 19]. Для рассмотрения особенностей параллельного включения АЭ способ питания анодов ламп не является принципиальным.
подложенную под отрезок [10]. Применение кольцевого магнитопровода позволяет уменьшить габариты устройства благодаря на мотке отрезка на кольцо. При этом обеспечивается магнитная связь между проводами отрезка линии из-за появления общего потокосцепления, и при малой длине отрезок линии, по существу, превра щается в две катушки на ферритовом сердечнике с сильной магнитной связью. Кроме того, использование кольцевого магнитопровода позволяет разместить на нем несколько отрезков линии, что также способствует уменьшению габаритов и реализации более удобной конструкции устройства. При размещении нескольких от резков на кольцевом магнитопроводе необходимо соблюдать соот ношение чисел витков и полярность соединения образующихся обмоток из проводов отрезков линии, что приближает ТЛ к транс форматору обмоточного типа. Чем меньше длина отрезков, тем меньше изменение величины тока по длине провода и тем ближе по своим параметрам оказываются ТЛ и трансформатор обмоточного типа с соответствующим количеством и соединением обмоток.
СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ГЕНЕРАТОРОВ
Юовольно часто требуемая мощность генератора с внешним возбуждением (ГВВ) не может быть получена от одного генераторного прибора - активного элемента (АЭ): лампы или тран зистора. Чтобы получить нужную мощность, используют совмест ную работу нескольких АЭ на общую нагрузку. Наиболее простыми способами реализации совместной работы АЭ являются их парал лельное и двухтактное включения. При выполнении определенных условий результирующая мощность в нагрузке равна сумме мощно
стей, создаваемых в выходной цепи каждым АЭ.
2.1.ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
На рис. 2.1 показана схема ГВВ с параллельным включением двух ламп V] и с общим катодом.
При параллельном включении ламп одноименные электроды соединяются вместе по высокой частоте; по постоянным напряже ниям питания одноименные электроды, кроме анодов, как правило, разделяются. Это делается для того, чтобы можно было произво дить индивидуальную регулировку режима каждой лампы, так как параметры ламп практически не бывают одинаковыми.
В представленной схеме использовано параллельное питание анода, но может быть использовано и последовательное питание. Выбор питания анода определяется теми же соображениями, что и при построении ГВВ на одной лампе [5, 10, 19]. Для рассмотрения особенностей параллельного включения АЭ способ питания анодов ламп не является принципиальным.
/аО|/2
Назначение разделительных Ср и блокировочных СбЛ, Хбл эле ментов в цепях ГВВ точно такое же, как в ГВВ на одной лампе. На грузкой ламп в анодной цепи служит контур Ск, Хк. В пред ставленной схеме использованы триоды. В схеме на тетродах или пентодах будут добавлены цепи питания вторых (экранных) и третьих (защитных) сеток, которые реализуются, как и в генераторе на одной лампе. Однако напомним, что большинство мощных гене раторных ламп, в том числе и самые мощные лампы, а также лампы СВЧ - это триоды. На схеме показаны лампы с прямонакальным однофазным катодом. Питание накалов ламп осуществляется от трехфазной сети, что позволяет ослабить пульсацию результирую щего выходного тока (паразитную амплитудную модуляцию) за счет магнетронного эффекта. Дело в том, что ток накала у мощных прямонакальных ламп составляет сотни ампер, вследствие чего у накала-катода существует сильное магнитное поле, изменяющееся с частотой питания накала и дважды достигающее максимальной ве личины за период этой частоты. Электроны, перемещающиеся в пространстве катод-анод, оказываются под воздействием сильных электрического (у мощных ламп напряжение питания анода состав ляет десятки киловольт) и магнитного полей, векторы напряженно сти которых перпендикулярны друг другу в рабочей части про-
странства катод-анод. В итоге электроны с катода на анод пере мещаются не по прямой, а по циклической кривой, подобно движе нию электронов в магнетроне, что вызывает модуляцию электрон ного потока и как следствие появление в составе анодного тока лампы пульсаций с удвоенной частотой питания накала*. Для уст ранения на выходе пульсаций анодного тока за счет магнетронного эффекта для питания накалов ламп используются два трансформа тора Трь Тр2, первичные обмотки которых включены звездой. На пряжение накала лампы У\ II» пропорционально линейному на
пряжению между фазами А, В, а напряжение накала лампы У2 II»п
пропорционально напряжению фазы С. При таком способе питания напряжения накалов оказываются сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 90°. На рис. 2.2 представлены векторные диаграммы напряжений в цепях питания накалов ламп.
Коэффициент трансформации по напряжению трансформатора Трг должен быть в л/з раз больше, чем у трансформатора Трь
А
Рис. 2.2
Питание накалов ламп со сдвигом по фазе 90° обусловливает изменение магнитных полей в лампах со сдвигом на 1/4 периода частоты питания накалов. В итоге пульсации анодных токов за счет магнетронного эффекта оказываются сдвинутыми на 1/2 периода частоты питания накалов, что составляет 180°, т. е. пульсации нахо дятся в противофазе. Если величины этих пульсаций одинаковы, то на выходе, складываясь, они компенсируют друг друга.
При возбуждении ламп гармоническим сигналом: ис = 11ыс созсо/ анодный ток каждой лампы может быть представлен в виде сово-
♦
У ламп с подогревным катодом подобный эффект практически отсутствует по причине как меньшего уровня напряженности магнитного поля у подогревателя, так и специальной конструкции катода.
купности гармонических составляющих, как в ГВВ на одной лам пе [1]:
4„ = 4ои + 4 ) п соз со/+ 42п соз 2Ш+
Кп = 4ога + 41и соз со/ + 4ги соз 2со/ + |
(2.1) |
|
где /аоп, 4ога - постоянные составляющие анодных токов ламп V, |
||
и У2 соответственно; 41К,> 41 42М»42^, |
- амплитуды первой, |
|
второй и так далее гармонических составляющих анодных токов ламп V1и соответственно.
Пути протекания анодных токов каждой лампы такие же, как в ГВВ на одной лампе.
Постоянные составляющие анодных токов ламп /а01/], 4о,^ про текают через источник анодного питания Еа, блокировочный дрос сель /а,.*, участок анод-катод соответствующей лампы. Первые и высшие гармонические составляющие анодных токов ламп проте кают через нагрузку - контур Ьк, Ски участок анод-катод соответст вующей лампы.
Контур нагрузки считаем настроенным на выделяемую гармо ническую составляющую анодных токов ламп, в частности, первую, для которой он представляет чисто резистивное сопротивление, равное эквивалентному сопротивлению контура на резонансной частоте /?ое.
Для общности результатов и более полного рассмотрения во проса примем, что анодные токи ламп как различаются по величи не, так и имеют некоторый фазовый сдвиг. Причиной последнего, если не учитывать инерционные явления в лампах, является несинфазность подаваемых сигналов возбуждения на сетки ламп из-за различия внешних и внутренних реактивностей в цепях возбужде ния, в том числе и длин соединительных проводов.
При наличии фазового сдвига ф в сигналах возбуждения ламп выражения (2.1) могут быть записаны в виде:
4П = 4оп + 4 |(/] соз <о/ + 4гп соз 2<й/ +
ип = 1лп + 41п соз (со/ + ф) + 1Луг соз 2(со/ + ф) +
Если ввести в рассмотрение комплексные амплитуды, то для токов первых гармоник можно записать:
где к - коэффициент пропорциональности амплитуд первых гармо ник анодных токов ламп; К = ке/,|>- коэффициент пропорционально сти комплексных амплитуд первых гармоник анодных токов*.
Комплексная амплитуда колебательного напряжения на конту ре, равная также амплитуде переменного напряжения между анодом и катодом каждой лампы,
11ма Кос (Л.,, + 1а1(/т ) —^ое-^а11/( О + К). |
(2.2) |
Сопротивление нагрузки, ощущаемое каждой лампой относи тельно точек анод-катод (кажущееся сопротивление нагрузки [5]):
|
7 |
|
- |
^ ма |
—I? |
1+ |
*’а1|/2 |
= /?ое(1 + ^ ); |
|
||
|
^ощу\ |
|
Т |
ое |
^1|/| |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
_ ^ма |
_ р |
1 + ^ |
Кос |
1+ - |
"ОШК1 |
(2.3) |
||||
а 0Щ|'2 |
“ |
т |
|
~ Л °е |
К |
||||||
|
|
1я\У2 |
|
|
1а1(/2 у |
|
К |
|
|||
Как видим, ощущаемые сопротивления (2.3) зависят не только от эквивалентного сопротивления контура нагрузки Лое, но и от ам плитудных и фазовых соотношений токов в анодных цепях ламп.
Если одна из ламп не работает (К = 0 или К= <х>), то ощущае мое сопротивление нагрузки другой лампы оказывается чисто рези стивным и равным эквивалентному сопротивлению контура Кое. Ес ли работают обе лампы, то ощущаемое каждой лампой сопротивле ние отличается от Кж и может быть как резистивным, так и ком плексным. Работа лампы на комплексную нагрузку для генератора является энергетически невыгодной [1]. Обратим внимание, что при параллельном включении ламп даже при настроенном контуре ощущаемое сопротивление может оказаться комплексным.
Используя алгебраическую и показательную формы записи комплексных величин, для ощущаемых сопротивлений получаем:
|
|
7 |
-/Фощ |
|
|
|
1+ 2ксозц>+к~е |
|
V] - |
%осощ,у\в |
** ^ос0Щ|/| СО3 фош^ |
0Щ|/у 31ПфоЩ)/| > |
(2.4а) |
|
В принятой записи комплексная амплитуда первой гармоники анодного то ка лампы К| 1а|п совпадает с амплитудой /П]п первой гармонической составляющей анодного тока лампы при разложении его на гармонические составляющие (2.1).
где
к$т (р
2ошУ2 "^ос! 1+ к I }К™ |
к |
/ 1>0Щ|/2 |
к |
||
= 2 о е0Щ[^ ^ о т Р2 — 2оео*ц ^ |
с0 8 ф ощ(/2 '*'У^ое ОШ^ ЗШ ф ош ^> ( 2 .4 6 ) |
|
где Ф0щ,,2 =ФошК| -Ф- |
|
|
При принятых обозначениях ^оеоШ|Г1 |
^оеощ.у^к. |
|
Если фазовый сдвиг сигналов возбуждения ф = 0, то каждая лампа ощущает чисто резистивное сопротивление нагрузки:
(2.5)
При полной идентичности анодных токов ламп (ф = 0, к - 1) ощущаемые лампами сопротивления оказываются резистивными и равными по величине: 20Щ^ = 20Щ^ = 2 /^ . В этом случае каждая
лампа может отдавать номинальную мощность, а результирующая мощность в нагрузке-контуре возрастает в два раза (в общем случае в #раз, где Ы - число параллельно включаемых ламп).
Мощность в нагрузке можно определить как
где 11т = 11ЫК- амплитуда колебательного напряжения на анодах ламп, равная амплитуде колебательного напряжения на контуре.
Согласно (2.2)
(2.6)
следовательно,
(2.7)