Сложение мощности в мостовых устройствах
Мостовым устройством называют многополюсник, с помощью которого обеспечивается совместная и взаимно независимая работа двух (и более) источников ВЧ-колебаний на одну общую нагрузку. Взаимно независимая работа (взаимная развязка) позволяет сохранять постоянным сопротивление нагрузки для всех усилителей при изменении режима работы любого из них (например, короткое замыкание или обрыв цепи по любому входу мостового устройства).
Схемы мостовых устройств классифицируют по фазовым соотношениям суммируемых сигналов (синфазные, противофазные и квадратурные), способу сложения (по току или напряжению), частотным свойствам (узкополосные и широкополосные), элементной базе (устройства на R-, L-, С-элементах, трансформаторные и т. д.).
Рассмотрим сложение мощности в мостовом устройстве на рис. 1.3. Четыре резистора, включенные последовательно, образуют четырехполюсник, к точкам которого А – Аэ и В – Вэ подключены источники ВЧ-колебаний генераторы Г1иГ2. Если R1 =R2 и R3 = R4, то мост называют сбалансированным. Он обеспечивает независимость работы каждого генератора от условий работы другого. Кроме того, необходимо, чтобы R1 = R2 = R3 = R4
Предположим, что напряжения генераторов действуют, как показано на рис. 1.3. Направление токов генераторов показано стрелками. Так как сопротивления резисторов равны между собой, то потенциалы точек В и В э для генератора будут одинаковыми (аналогично, потенциалы точек А и Аэ для генератора Г2). Следовательно, мост может быть замкнут накоротко или разомкнут в точках В и Вэ, между этими точками может быть включен другой источник ВЧ-колебаний. Нагрузка генератора Г1 останется неизменной.
рис.1.3
Если обеспечить равенство амплитуд и синфазность напряжений генераторов Г1 и Г2, то ток I1 будет равен по амплитуде и синфазен току I2. Тогда в резисторах R1 и R2 токи взаимно компенсируют друг друга, а в резисторах R2 и R4 - суммируются. Резисторы R1 и R3 называют балластными, а R2 и R4 - нагрузочными. Вся полезная мощность генераторов выделяется на резисторах нагрузки R2 и R4
Определим, как изменяется мощность в нагрузке и к. п. д. мостового устройства, если выходные напряжения генераторов окажутся различными по амплитуде и фазе, т. е. если выполняется условие
,
где φ≥0- разность фаз напряжений,κ≠1-коэффициент соотношения амплитуд напряжений.
Сопротивление нагрузки каждого генератора равно R. Учитывая, что I1 = U1/R,I2 = U2/R, рассчитаем мощность, выделяемую в резисторах нагрузки и балластных резисторах:
После подстановки в полученные формулы значения U2, выраженного через U1, получим:
Сумма мощностей на резисторах нагрузки и балластных резисторах равна суммарной мощности генераторов. К.п.д. мостового устройства равен отношению мощности в нагрузке к суммарной мощности генераторов:
Полученное соотношение позволяет определить уменьшение к. п. д. мостового устройства в зависимости от различия амплитуд напряжений генераторов (К) или разности их фаз (ф) (рис. 1.4 и 1.5).
Рис.1.4 Рис.1.5
Как видно из рисунков, допустимо достаточно большое различие между U1 и U2 по амплитуде и фазе без существенного снижения к.п.д мостового устройства. На практике нагрузкой передатчика является сопротивление антенны. Существует большое разнообразие схем сумматоров мощностей мостового типа, работающих на одно сопротивление нагрузки. Применение ШПТ позволяет перейти от схемы с двумя нагрузками к схеме мостового устройства с одной нагрузкой (рис. 1.6).
рис.1.6
В транзисторных передатчиках декаметровых волн мостовые устройства сложения мощности выполняют только с использованием ШПТ.
На рис. 1.7 показана схема мостового устройства, позволяющая суммировать мощность генераторов Г1иГ2 с помощью ШПТ.
рис.1.7
Показанное соединение обмоток обеспечивает сложенное токов в резисторе нагрузки (точкой отмечено начало обмоток). Резистор Rб обеспечивает взаимную развязку генераторов, когда сопротивления Rн и Rг выбраны в определенном соотношении. Предположим, что генератор Г2 находится в аварийном состоянии и имеет короткое замыкание на выходе. Эквивалентная схема нагрузки для генератора представлена на рис. 1.8.
рис.1.8
Нагрузкой является параллельное соединение Rб и Rн, включенных через трансформатор с коэффициентом трансформации n= 4:1. При этом
При обрыве в цепи Г2 эквивалентная схема нагрузки для Г2 примет вид, изображенный на рис. 1.9.
рис.1.9
Нагрузка Г1 образована последовательным соединением Rб и Rн и включена через трансформатор с коэффициентом трансформации n = 1:4. Тогда
По условию работы мостового устройства
Подставляя в это уравнение значения Rг*х и Rг*к. получим Rб = 4 Rн. При этом нагрузка каждого генератора не зависит от режима работы другого:
На рис. 1.10 показана схема устройства, позволяющего суммировать в общей нагрузке мощность трех генераторов и более. Рабочий диапазон частот сумматора определяется в основном частотными свойствами применяемых трансформаторов. Взаимная развязка генераторов обеспечивается соответствующим выбором сопротивлений балластных резисторов Rб = R /N. При этом каждый генератор работает на активную нагрузку Rг = Rн/N, где N = 3.
рис.1.10
Устройство на рис. 1.11 применяют для совместной работы ламповых генераторов большой мощности в ДВ-, СВ- и КВ-диапазонах. Каждый усилитель работает независимо от другого в том случае, когда
В рабочем режиме при равенстве амплитуд и синфазности напряжений на выходе ток через балластный резистор не протекает. Согласующие звенья L и C1 обеспечивают сложение токов в нагрузке Rн
рис.1.11
Рассмотрим механизм действия устройства, обеспечивающего в аварийном режиме взаимную развязку работы генераторов. Пусть напряжение U2 = О и точка Ь заземлена. Ток от Г1 проходит в точку b по двум цепям. При прохождении по цепи Rб и С2 ток опережает напряжение U1 по фазе на 45° в соответствии с условием Rб = IХс2 I При прохождении по цепи L, С1,Rн. L ток отстает от напряжения на 135°. Таким образом, в цепи Г2 разность токов составит 180° и при соответствующем выборе элементов схемы токи взаимно компенсируют друг друга.
Такая схема является узкополосной, и при смене рабочей частоты усилителей следует изменять параметры реактивных элементов мостового устройства.
Взаимную развязку работы двух генераторов за счет реализации двух цепей связи, обеспечивающих разность фаз токов в 180°, применяют и в диапазоне СВЧ (рис. 1.12)
рис.1.12
Каждый генератор подключен к нагрузке Rн через четвертьволновый отрезок линии. Волновое сопротивление каждой линии Zс = √2Rн. При Rб = 2Rн каждый генератор работает на нагрузку, равную Rн . Покажем, что и в аварийной ситуации сопротивление нагрузки для работающего генератора останется постоянным. Пусть в цепи генератора Г2 произошло короткое замыкание. Зная из теории длинных линий, что входное сопротивление четвертьволновой линии Rвх = Z2с/Rн, получим бесконечно большое входное сопротивление линии П в точке соединения с нагрузкой (точка3). Входное сопротивление линий Rвх =(√2Rп)2/Rн.При учете включенного параллельно входу линии I балластного резистора сопротивлением Rб= 2Rн для генератора Г1 Rг = Rн.
Необходимо помнить, что полная взаимная развязка работы генераторов обеспечивается только на частоте, соответствующей четвертьволновому отрезку линии. Изменение рабочей частоты приводит к появлению взаимного влияния генераторов. Для сложения мощностей большего числа генераторов в диапазове СВЧ применяют последовательное соединение, обеспечивающее совместную работу двух генераторов.
Общим для приведенных схем является напичие синфазно работающих генераторов. Поэтому такие устройства называют мостовыми устройствами синфазного типа. В диапазоне метровых и более коротких волн применяют мостовые устройства, в которых разность фаз суммируемых сигналов генераторов равна 90°. Такие устройства называют квадратурными мостами сложения (рис. 1.13).
рис.1.13
ВЧ напряжения генератора Г1 и Г2 равны по амплитуде и имеют разность фаз 90°. Четыре отрезка четвертьволновых линий образуют кольцо. Легко заметить, что ВЧ-напряжепия (токи) генераторов оказываются синфазными в точке подключения нагрузки Rв и противофазны в точке подключения балластного резистора Rб. Генераторы взаимно независимы и имеют нагрузку сопротивлением Rн, если Rг = Rн = Rб; Zc= √2Rн
Квадратурные мосты сложения используют в тех случаях, когда необходимо устранить в нагрузке появление отраженных сигналов, вызванных конечной степенью согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением мостового устройства. Действительно, при рассогласованной нагрузке Rн≠Zc/√2 в сумматоре появится отраженный сигнал, который от нагрузки поступит па выходы генераторов и, отразившись вторично, попадет в нагрузку и балластный резистор. При этом разность фаз отраженных сигналов, вернувшихся в нагрузку от генераторов, составит 180°, сигналы взаимно компенсируют друг друга. В то же время в балластном резисторе они будут синфазны и мощность отраженных сигналов выделится в балластном резисторе. Квадратурные мосты сложения применяют в телевизионных передатчиках для борьбы с многоконтурностью изображения, а также в передатчиках СВЧ, работающих в режиме усиления импульсных сигналов и использующих на выходе сумматоры мощности.