Лекция 10

Требования к цепям согласования АЭ с полезной нагрузкой ГВВ. Использование параллельного колебательного контура в качестве цепи согласования (ЦС) АЭ с полезной нагрузкой генератора. Согласование АЭ с полезной нагрузкой генератора на одной частоте. КПД ЦС. Понятие о согласовании АЭ с нагрузкой в диапазоне частот и в заданной полосе частот. Простые и сложные ЦС. Разбивка диапазона частот на поддиапазоны. Принципы расчёта номиналов элементов ЦС и оценка потерь в них.

Общие требования к цепям согласования АЭ с полезной нагрузкой ГВВ.

ГВВ должен обеспечивать требуемое значение мощности, либо напряжения, либо тока в некотором элементе, подключаемом к генератору и называемом полезной нагрузкой генератора. Например, полезной нагрузкой ГВВ – выходного каскада радиопередатчика является антенна, к которой необходимо подвести требуемую мощность. Полезной нагрузкой ГВВ – промежуточного каскада радиопередатчика является входное сопротивление АЭ последующего каскада. При этом на входе АЭ необходимо обеспечить требуемую мощность возбуждения при определённом напряжении или токе, либо определённое напряжение возбуждения. Последнее имеет место при входном сопротивлении АЭ, стремящемся к бесконечности, что характерно для лампового генератора по схеме с общим катодом при работе без сеточных токов и для генератора на полевом транзисторе по схеме с общим истоком. Если входное сопротивление АЭ стремится к нулю, то от предшествующего генератора требуется обеспечить определённый ток через входное сопротивление этого АЭ. Полезной нагрузкой высокочастотного генератора, используемого для обработки пищевого продукта, является обрабатываемый продукт, помещаемый в специальную камеру, а полезной нагрузкой высокочастотного генератора, используемого в медицине, например, для прогревания какого-либо органа или части тела человека, будет прогреваемый орган или часть тела.

В общем случае, независимо от характера, полезная нагрузка ГВВ представляется двухполюсной электрической цепью рис.10.1.

С опротивление цепи является комплексным

причём активная и реактивная составляющие этого сопротивления, как правило, изменяются с частотой. Например, любая антенна замещается её входным сопротивлением, активная составляющая которого практически определяется сопротивлением излучения антенны; входное сопротивление АЭ имеет активную и реактивную составляющие, при этом последняя определяется, в частности, входной ёмкостью АЭ и индуктивностями вводов входных электродов.

Мощность генератора в полезной нагрузке выделяется на сопротивлении . Величина этой мощности

(10.1)

где - амплитуда, соответственно, напряжения на сопротивлении (на нагрузке) и тока через сопротивление (через нагрузку); - фазовый сдвиг между гармоническим напряжением и гармоническим током в цепи полезной нагрузки. В общем случае

где - начальные фазы, соответственно, напряжения и тока (одна из начальных фаз может быть принята равной нулю).

Как известно, для цепи рис.10.1

Справедливо также

что соответствует (10.1).

Из теории электрических цепей известно, что наилучшим режимом работы электрического генератора является работа на чисто активную нагрузку, представляющую сопротивление резистивного характера, когда = 0. В этом случае = 0, соответственно, и нужная мощность в нагрузке обеспечивается при меньших значениях напряжения и тока.

АЭ ГВВ для работы в нужном режиме требует обеспечения в его выходной цепи чисто активного сопротивления определённой величины

где, напомним, - коэффициент использования напряжения анодного или коллекторного питания, при котором обеспечивается нужный режим работы АЭ ГВВ; - амплитуда первой гармоники, соответственно, анодного или коллекторного тока.

Так как сопротивление полезной нагрузки генератора в общем случае комплексное, а в выходной цепи АЭ ГВВ требуется обеспечить чисто активное сопротивление определённой величины для получения нужной мощности, то, очевидно, полезную нагрузку генератора следует присоединять к АЭ через электрическую цепь, которая осуществляет преобразование комплексного сопротивления в активное сопротивление . Как правило, . Поэтому необходимо, чтобы электрическая цепь, через которую полезная нагрузка генератора подключается к АЭ, компенсировала реактивную составляющую сопротивления полезной нагрузки генератора и трансформировала активную составляющую этого сопротивления до величины , соответствующей нужному режиму работы АЭ.

Используемая для подключения полезной нагрузки генератора к АЭ электрическая цепь, обеспечивающая компенсацию реактивной составляющей сопротивления полезной нагрузки и трансформацию активной составляющей этого сопротивления до требуемой величины, называется цепью согласования (ЦС) или согласующей цепью.

Так как АЭ со стороны выходных электродов является двухполюсным устройством, и полезная нагрузка генератора представляется двухполюсной электрической цепью, то, очевидно, ЦС в общем случае должна представлять четырёхполюсную электрическую цепь: с одной стороны подключается АЭ генератора, с другой стороны – полезная нагрузка генератора. В идеальном случае ЦС должна состоять из чисто реактивных элементов, обеспечивающих, в частности, компенсацию реактивной составляющей сопротивления полезной нагрузки . В самом простейшем случае ЦС может состоять из одного реактивного элемента: ёмкости или индуктивности, в зависимости от характера сопротивления . В общем случае при разработке структуры ЦС необходимо учитывать внутренние реактивности АЭ: соответствующие междуэлектродные ёмкости и индуктивности вводов электродов.

Итак, главное назначение ЦС ГВВ – преобразование комплексного сопротивления полезной нагрузки генератора в активное сопротивление нужной величины, при котором обеспечивается требуемый режим работы АЭ.

Как показано в лекции 6, эффективность преобразования энергии источника анодного (коллекторного) питания в энергию высокочастотных электрических колебаний в ГВВ, оцениваемая КПД анодной (коллекторной) цепи, получается выше при работе АЭ с нижним углом отсечки выходного (анодного, коллекторного) тока . Причём, чем меньше значение , тем выше эффективность преобразования энергии источника питания выходной цепи АЭ ГВВ, то есть, выше КПД анодной (коллекторной) цепи. Однако, чем меньше нижний угол отсечки выходного тока АЭ, тем больше уровень высших гармонических составляющих выходного (анодного, коллекторного) тока относительно первой гармоники,¹ мощность которой должна быть выделена в полезной нагрузке. Высшие гармоники выходного тока АЭ, попадая в полезную нагрузку генератора, создают на ней соответствующие напряжения и выделяют соответствующую мощность. Если, например, ГВВ – выходной каскад радиопередатчика, то высшие гармоники соответствующей мощности излучаются антенной, что создаёт помехи работе других линий радиосвязи, рабочие частоты которых совпадают или близки к данным гармоникам выходного тока АЭ ГВВ. Создание помех линиям радиосвязи недопустимо,² и существуют международные нормы на допустимые внеполосные излучения радиопередающих устройств. Если ГВВ – промежуточный каскад радиопередатчика, то высшие гармонические составляющие выходного тока АЭ каскада искажают форму и влияют на величину сигнала возбуждения последующего каскада. При правильном проектировании ЦС эти искажения невелики и с ними, как правило, не считаются.

Из сказанного вытекает ещё одно требование к ЦС ГВВ – обеспечение необходимой фильтрации высших гармоник выходного тока АЭ, при которой мощность высших гармонических составляющих в полезной нагрузке не превышает допустимого уровня, или при которой напряжение на полезной нагрузке или ток через полезную нагрузку близки к гармоническим.

Использование параллельного колебательного контура в качестве ЦС

Одной из наиболее широко применяемых ЦС при построении ламповых и транзисторных ГВВ является параллельный колебательный контур. При соответствующем выборе параметров он удовлетворяет общим требованиям к ЦС, сформулированным выше: позволяет компенсировать реактивную составляющую сопротивления полезной нагрузки генератора, трансформировать активную (резистивную) составляющую сопротивления полезной нагрузки до нужной величины, обеспечить фильтрацию гармонических составляющих выходного тока АЭ. Последнее обусловливается избирательными свойствами параллельного колебательного контура.