Лекция 10 (лекции по УГФС), страница 5

Преимущества электрического способа перестройки контура по сравнению с механическим состоят в следующем: более высокая надёжность из-за отсутствия вращающихся механических элементов; значительно меньшее время перестройки; удобство использования в системах автоматического регулирования.

Рассмотрим некоторые принципиальные положения основных способов перестройки контуров ГВВ.

1. Ёмкостная перестройка контура

С хема контура с ёмкостной перестройкой представлена на рис.10.8. При ёмкостной перестройке контура величина его индуктивности остаётся неизменной: . Сопротивление активных потерь контура определяется в основном потерями в катушке индуктивности , что практически справедливо при использовании вакуумных и воздушных (с воздухом в качестве диэлектрика) конденсаторов переменной ёмкости, подстроечных конденсаторов с твёрдым диэлектриком и при использовании варикапов с высокой добротностью. Сопротивление активных потерь в катушке индуктивности изменяется с частотой по закону

,

где а - коэффициент, зависящий от диаметра, длины и материала провода намотки.

Эквивалентное сопротивление ненагруженного контура

, (10.26)

где - резонансная частота контура (частота настройки контура).

Как видно, ненагруженное эквивалентное сопротивление контура при ёмкостной перестройке растёт с частотой.

Если принять, что при перестройке контура регулируется также связь с полезной нагрузкой генератора и/или коэффициент включения контура, так что при этом сохраняется оптимальный (критический) режим работы, то есть всё время поддерживается , то КПД контура при перестройке согласно (10.21) с учётом (10.26) изменяется по закону

Так как при сохранении критического режима работы генератора , то мощность в полезной нагрузке генератора

. (10.27)

Если при перестройке контура сохранять , то КПД контура и мощность в полезной нагрузке генератора будут неизменными в диапазоне рабочих частот. Если , то с возрастанием частоты при сохранении за счёт только регулировки связи контура с полезной нагрузкой генератора КПД контура и мощность в полезной нагрузке будут увеличиваться с увеличением частоты.

Одной из важных характеристик параллельного колебательного контура является пропускаемая им полоса частот . Реальные сигналы, используемые в радиотехнике, занимают некоторую полосу частот, соответственно и ГВВ должен быть рассчитан на работу с таким сигналом. Пропускаемая контуром полоса частот с ослаблением относительно сигнала на резонансной частоте по уровню – 3 дБ (уровень 0,707) связана с резонансной частотой контура и его нагруженной добротностью соотношением

.

Учитывая, что и при перестройке сохраняется , получаем

, (10.28)

откуда следует, что при с ростом частоты полоса пропускания контура увеличивается. Если сохраняется , то полоса пропускания контура будет сохраняться, однако при этом с увеличением частоты будет понижаться КПД контура и мощность в полезной нагрузке.

Осуществлять одновременную регулировку связи контура с нагрузкой и коэффициента включения контура при перестройке по диапазону довольно сложно. Как правило, осуществляют только регулировку связи контура с полезной нагрузкой, сохраняя , в частности, р = 1. В этом случае при ёмкостной перестройке контура с понижением рабочей частоты уменьшается мощность в полезной нагрузке (10.27) и сужается полоса пропускания контура (10.28).

Уменьшение мощности в полезной нагрузке генератора и сужение полосы пропускания контура на нижних частотах диапазона являются недостатками контура с ёмкостной перестройкой.

Сужение полосы пропускания контура с понижением рабочей частоты даже в случае генератора гармонического сигнала требует на нижних частотах диапазона более точной настройки контура. При использовании многокаскадных генераторов возрастают требования к сопряжённой перестройке их контуров, а также к температурной стабильности параметров элементов контура: индуктивности L , ёмкости С.

Ёмкостная перестройка контура, однако, имеет и существенные достоинства: обеспечение любого нужного закона изменения частоты, что достигается конструированием конденсатора переменной ёмкости с нужным законом изменения, например, приданием пластинам конденсатора специальной формы; возможность одновременной перестройки контуров нескольких генераторов от одного органа, например, путём размещения конденсаторов переменной ёмкости на одной оси; относительно малые габариты контура; простота механизма управления настройкой.

Ёмкостная настройка контуров в основном применяется в маломощных ГВВ, а также в генераторах с мощностью в несколько десятков кВт до частот порядка 30 МГц.

Если ёмкость конденсатора контура изменяется в пределах , то есть обеспечивается коэффициент перекрытия по ёмкости конденсатора

то, очевидно, коэффициент перекрытия контура по частоте

.

Следует отметить, что при включении конденсатора в схему генератора параллельно ему добавляются выходная ёмкость АЭ ГВВ и монтажная ёмкость, вследствие чего коэффициент перекрытия по ёмкости контура в схеме генератора оказывается меньше, чем у конденсатора.

У воздушных переменных конденсаторов коэффициент перекрытия по ёмкости ; у вакуумных переменных конденсаторов достижимы значения

2. Индуктивная перестройка контура

Выше мы отмечали, что в ГВВ наиболее часто используются перестройка контура катушкой со скользящим контактом и вариометром. Рассмотрим эти способы.

2.1. Перестройка катушкой со скользящим контактом

С хема контура показана на рис.10.9. В таком контуре при перестройке . Сопротивление потерь в катушке индуктивности с переменным числом рабочих витков изменяется с частотой f по закону

,

где а - коэффициент, зависящий от диаметра, материала и длины намотки провода рабочей части катушки.

С ростом частоты сопротивление потерь уменьшается, так как уменьшается длина намотки используемой части катушки.

Ненагруженное эквивалентное сопротивление контура в этом случае

(10.29)

где - постоянная ёмкость контура.

В отличие от перестройки контура переменной ёмкостью в этом случае ненагруженное эквивалентное сопротивление контура уменьшается с ростом частоты, так как, несмотря на уменьшение сопротивления потерь , резко падает характеристическое сопротивление контура

,

что явно видно из правой части последнего соотношения, где . Напомним, что - резонансная частота контура или частота его настройки. Зависимость от  квадратичная, что усиливает изменение с частотой.

Если принять, что при перестройке контура регулируется связь с полезной нагрузкой генератора⁸ и таким образом всё время сохраняется , то КПД контура в этом случае

и мощность в полезной нагрузке

уменьшаются с ростом частоты. Напомним, что при ёмкостной перестройке при , в том числе при р = 1, эти зависимости имеют противоположный характер.

Полоса пропускания контура при перестройке катушкой со скользящим контактом

Уменьшение мощности в полезной нагрузке генератора с ростом рабочей частоты и постоянство полосы пропускания контура при перестройке катушкой со скользящим контактом рассматриваются как достоинства этого способа перестройки по сравнению с перестройкой ёмкостью. Напомним, что при ёмкостной перестройке подобного можно добиться при сохранении с перестройкой , что требует изменения р с частотой. Постоянство полосы пропускания облегчает сопряжённую перестройку контуров и снижает требования к температурной стабильности параметров элементов контура. Уменьшение мощности в полезной нагрузке с ростом рабочей частоты, например, у ГВВ – выходного каскада передатчика компенсируется, в некоторой степени, усилением направленных свойств антенны с повышением частоты, что повышает напряжённость электромагнитного поля в месте приёма.

Катушки со скользящим контактом имеют спиральную намотку. Для обеспечения скользящего контакта катушки наматываются лентой или трубкой прямоугольного профиля. Число работающих витков изменяется вращением скользящего контакта или катушки. Намотка катушек однослойная, с необходимым зазором между витками для перемещения контакта и обеспечения электрической прочности. Каркасы катушек не сплошные (для лучшего охлаждения и упрощения механизма перестройки), витки закрепляют на рейках или стержнях из высокочастотного изоляционного материала. При больших уровнях мощности генератора, соответственно больших контурных токах, возникает необходимость принудительного воздушного или водяного охлаждения катушки индуктивности. При водяном охлаждении вода циркулирует внутри трубы, из которой намотана катушка. Во избежание резонанса в нерабочей части катушки, а также ослабления её влияния на контур, витки нерабочей части катушки обычно замыкаются дополнительными скользящими контактами.

Наличие подвижного трущегося контакта, необходимость обеспечения большой жёсткости усложняют конструкцию катушки со скользящим контактом и увеличивают её габариты. Поэтому в маломощных ГВВ такой способ перестройки контура не применяется. В основном он используется в мощных генераторах в диапазоне частот (10…60) МГц.

Практически реализуемый коэффициент перекрытия по индуктивности у катушек со скользящим контактом