Лекция 10 (лекции по УГФС), страница 7

Контур, в который включается полезная нагрузка генератора , называется нагрузочным контуром или контуром нагрузки. На рис.10.13 его параметры обозначены индексами 2. Контур, подключаемый к АЭ, носит название выходного контура. На рис.10.13 его параметры обозначены индексами 1. В ламповых ГВВ выходной контур называется также анодным контуром, а в транзисторных ГВВ – коллекторным контуром. Контуры, которые включаются между выходным и нагрузочным контурами, называются промежуточными.

Если оба контура (рис.10.13) настроены на одну частоту,¹⁰ то эквивалентное сопротивление системы связанных контуров для АЭ на резонансной частоте

, (10.30)

где р - коэффициент включения выходного контура; - характеристическое сопротивление выходного контура; - сопротивление потерь выходного контура; - вносимое сопротивление из нагрузочного контура в выходной;
- сопротивление потерь нагрузочного контура; - активная составляющая сопротивления полезной нагрузки генератора; - сопротивление связи контуров, которое для представленного на рис.10.13 случая индуктивной (магнитной) связи равно , где - коэффициент взаимной индукции катушек контуров.

Выражение (10.30) может быть также представлено в следующем виде

,

где - нагруженная добротность выходного контура.

Как уже отмечалось, в ЦС из двух связанных контуров чисто активное сопротивление для АЭ может быть обеспечено на трёх частотах. Одна из частот совпадает с резонансной частотой контуров. Две другие носят название частот связи, соответственно, нижней и верхней. На резонансной частоте эквивалентное сопротивление ЦС определяется (10.30), а на частотах связи иначе. Изменяя величину сопротивления связи контуров , можно изменять величину вносимого в выходной контур активного сопротивления, а значит и величину эквивалентного сопротивления нагрузки АЭ. Как и в случае одиночного колебательного контура, эквивалентное сопротивление связанных контуров можно изменять также изменением коэффициента включения р и характеристического сопротивления выходного контура. Таким образом, применение систем связанных контуров открывает большие возможности в отношении регулировки эквивалентного сопротивления нагрузки АЭ, а также позволяет осуществить согласование АЭ с нагрузкой одновременно на нескольких частотах.

Следует отметить, что обеспечить полное согласование сопротивлений, соответственно и нужное сопротивление нагрузки АЭ, в некоторой полосе частот, даже весьма узкой, практически невозможно. При полном согласовании зависимость эквивалентного сопротивления нагруженной ЦС от частоты должна быть горизонтальной прямой в полосе частот. Но, в силу того, что сопротивления реактивных элементов L и С изменяются по разному с частотой: одно – прямо пропорционально частоте , а другое – обратно пропорционально частоте , получить такую зависимость и обеспечить полное согласование в интересующей полосе частот, какой бы малой она ни была, невозможно. Но возможно согласование в нужной полосе частот с определённой точностью, причём, весьма высокой.

Существуют теоретические ограничения на полосу согласования и качество его в ней, обеспечиваемые электрической цепью. Эти вопросы выходят за рамки настоящих лекций. Здесь мы только отметим, что, чем шире требуемая полоса согласования и выше требуемое качество согласования, тем больше в составе ЦС требуется реактивных элементов L и С (в пределе бесконечное число), а цепь по структуре оказывается системой большого числа связанных колебательных контуров. Однако, чем больше контуров, тем цепь сложнее в настройке, сложнее учесть взаимные связи между контурами, в силу неидеальности реактивных элементов уменьшается КПД ЦС из-за возрастания числа элементов. Поэтому на практике обычно ограничиваются системами двух – трёх связанных контуров. В отдельных случаях применяют цепи типа фильтров нижних частот (ФНЧ) или полосовых.

При использовании системы связанных контуров каждый контур характеризуется своим КПД.

КПД нагрузочного контура, определяемый как отношение колебательной мощности в полезной нагрузке ко всей колебательной мощности , поставляемой в этот контур:

,

где - мощность потерь в нагрузочном контуре, выделяемая на сопротивлении активных потерь контура .

КПД промежуточного контура, определяемый как отношение колебательной мощности , выделяемой на вносимом в контур активном сопротивлении , ко всей колебательной мощности , поставляемой в этот контур:

,

где - мощность потерь в промежуточном контуре, выделяемая на сопротивлении активных потерь контура .

Очевидно, если за промежуточным контуром непосредственно следует нагрузочный контур, то последний является полезной нагрузкой первого и, соответственно, .

КПД выходного контура, определяемый как отношение колебательной мощности , передаваемой, в общем случае, в промежуточный контур, то есть , и выделяемой на вносимом в контур активном сопротивлении , ко всей колебательной мощности , развиваемой генератором:

,

где - мощность потерь в выходном контуре, выделяемая на сопротивлении активных потерь контура .

При проектировании генератора задаётся мощность в полезной нагрузке . АЭ ГВВ должен выбираться, а режим его рассчитываться, на колебательную мощность с учётом всех потерь мощности, то есть

,

где n- число промежуточных контуров.

КПД каждого контура может быть определён как с использованием правых частей приведенных выше соотношений, так и с использованием выражения (10.21) для каждого контура. Чем выше КПД контура, тем добротнее должны быть его элементы, что, естественно, удорожает контур и генератор в целом. Поэтому высокое значение КПД контура стремятся реализовать там, где это необходимо. Как правило, высокие значения КПД контуров реализуют в мощных генераторах, где достигают значений .

В случае многоконтурной ЦС результирующий КПД генератора, определяемый как отношение колебательной мощности в полезной нагрузке генератора к потребляемой от источника питания выходной (анодной или коллекторной) цепи мощности :

.

Результирующий КПД генератора, как отмечалось, характеризует эффективность выбранного режима работы генератора и его согласующей цепи.

Следует отметить, что при использовании сложных согласующих цепей в виде системы связанных контуров целесообразно регулировать эквивалентное сопротивление нагрузки АЭ (10.30) изменением связи контуров,¹¹ что обусловливает изменение , нежели изменением коэффициента включения выходного контура р. При регулировке путём изменения р, как отмечалось ранее, получается проигрыш в КПД контура. В то же время в ряде случаев, особенно в транзисторных ГВВ, приходится специально применять неполное включение контура, хотя это и снижает КПД ЦС.

Определение номиналов элементов ЦС – колебательного контура. Требования к элементам колебательного контура

При разработке генератора обычно задана частота f, на которой он должен работать, или диапазон рабочих частот. В этих условиях значение одного из элементов контура: ёмкости С или индуктивности L может быть выбрано произвольно, а значение другого должно быть определено из условия резонанса:

где - круговая рабочая частота генератора, на которую настраивается контур (резонансная частота контура).

Для получения большего КПД контура желательно меньшее значение ёмкости контура, что приводит к большим значениям характеристического сопротивления контура  и его ненагруженного эквивалентного сопротивления . С другой стороны, слишком малая величина ёмкости контура нежелательна, так как возрастает влияние выходной ёмкости АЭ и монтажной ёмкости, которые, как отмечалось, входят в состав ёмкости контура. Выходная ёмкость АЭ зависит от режима его работы и не обладает стабильностью. Монтажная ёмкость, точное значение которой определить практически невозможно, также не обладает стабильностью по причинам возможного изменения взаимного расположения деталей генератора, климатических условий и др. Настроить контур, у которого ёмкость целиком определяется выходной ёмкостью АЭ и монтажной ёмкостью, сложнее, причём возможно использование только индуктивной настройки контура. Сложнее также осуществить связь контура с полезной нагрузкой генератора. Поэтому использование таких контуров, по возможности, желательно исключать.

Из сложившегося опыта, накопленного в процессе разработки различных ГВВ радиопередающих устройств, известно, что у контура возможно получение высокой добротности и близких к оптимальным размеров и стоимости, если ёмкость контура выбирается из соотношения

, (10.31)

где - рабочая длина волны генератора, в метрах.