Лекция 11 (лекции по УГФС)
Описание файла
Файл "Лекция 11" внутри архива находится в папке "лекции по УГФС". Документ из архива "лекции по УГФС", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "радиопередающие устройства" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "радиопередающие устройства" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Лекция 11"
Текст из документа "Лекция 11"
Лекция 11
Фильтрация побочных компонент выходного тока АЭ ГВВ колебательной системой генератора. Обеспечение требуемой фильтрации.
В выходном токе АЭ ГВВ, помимо полезной гармонической составляющей, которую надо выделить на нагрузке генератора, обязательно присутствуют побочные (нежелательные) гармоники. В ГВВ – усилителе нежелательными являются все гармонические составляющие выходного тока, начиная со второй (высшие гармоники). В ГВВ – умножителе частоты, например, на три нежелательными будут первая и вторая гармонические составляющие (субгармоники) и все гармонические составляющие выше третьей (высшие гармоники). Наличие большого числа гармонических составляющих в выходном токе АЭ при возбуждении его чисто гармоническим сигналом обусловлено как нелинейностью параметров самого АЭ, в частности, его ВАХ, так и нелинейным характером режима работы АЭ из-за отсечки выходного тока с целью повышения КПД генератора.
Побочные гармоники выходного тока АЭ, протекая через ЦС, создают на ней напряжение, так как сопротивление ЦС для токов этих гармоник хотя и мало, но не равно нулю. Наличие напряжения от нежелательных гармоник выходного тока АЭ на ЦС ГВВ может привести к существенному изменению режима работы АЭ и характеристик самого генератора. Например, если на ЦС транзисторного усилителя мощности присутствуют переменные напряжения от первой и второй гармонических составляющих коллекторного тока, то результирующее мгновенное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора
где - амплитуда переменного напряжения между коллектором и эмиттером от второй гармоники коллекторного тока (круговая частота 2); - начальная фаза напряжения второй гармоники.
Очевидно, чем заметнее , тем сильнее напряжение на транзисторе будет отличаться от того, что должно быть в режиме усиления:
со всеми вытекающими из этого последствиями.
Протекая через ЦС, нежелательные гармонические составляющие выходного тока АЭ попадают в полезную нагрузку генератора, искажая форму сигнала на ней, что может оказаться не только нежелательным, но просто недопустимым. Наличие побочных гармоник выходного тока АЭ в полезной нагрузке особенно нежелательно в генераторах – выходных каскадах радиопередатчиков, так как высшие гармонические составляющие тока, попадая в полезную нагрузку – антенну, излучаются ею и создают помехи работе других линий связи, системам радиолокации, радионавигации и подобным, или вообще делают невозможным выполнение возложенных на них задач. Существуют ограничения на допустимые уровни мощности побочных излучений радиопередающих устройств, устанавливаемые международными соглашениями и разрабатываемыми на их основе национальными (государственными) стандартами. Так, например, международными нормами предусмотрено, чтобы мощность излучения радиопередатчика на любой побочной гармонике не превышала 50 мВт, если рабочая частота его f < 30 МГц. Отечественным стандартом для таких передатчиков установлено более жёсткое ограничение: мощность побочных излучений не должна превышать 25 мВт.
Так как ЦС обеспечивает компенсацию реактивной составляющей сопротивления полезной нагрузки генератора, то это означает, что в составе цепи обязательно имеются реактивные элементы противоположного характера: ёмкостные и индуктивные, наличие которых обусловливает колебательный характер процессов, заключающийся в периодическом обмене реактивной энергией, сосредоточенной в цепи, между её ёмкостью и индуктивностью. По этой причине ЦС генераторных устройств часто называют колебательными системами. Название «колебательная система генератора» исторически появилось раньше, чем цепь согласования, но и сегодня широко применяется в технике генераторных устройств. Поэтому для нас понятия «колебательная система» (КС) и «цепь согласования» (ЦС) являются равноправными при рассмотрении генераторных устройств.
По этой причине ниже мы в основном рассмотрим вопросы фильтрации побочных компонент выходного тока АЭ ЦС с явно выраженными избирательными свойствами, присущими КС на основе колебательных контуров.
В качестве полезной нагрузки генератора будем считать антенну, полезной гармоникой – первую, а нежелательными – вторую, третью и так далее, то есть все высшие гармоники.
Обозначим мощность излучения антенны на побочной гармонике , где n - номер побочной гармоники (n 2), а на основной частоте (первой гармонике) мощность излучения . Тогда амплитуды токов на основной частоте и на гармонике в антенне будут:
где сопротивления излучения антенны на основной частоте и гармонике, соответственно.
Коэффициент, определяемый отношением амплитуд токов высшей гармоники и основной частоты в антенне,
В выходной цепи АЭ связь между амплитудами токов первой и высшей гармоники определяется коэффициентом
который при работе АЭ в оптимальном по мощности и КПД выходной (анодной, коллекторной) цепи режиме, каковым является критический режим, при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ зависит только от нижнего угла отсечки выходного тока АЭ и определяется отношением коэффициентов разложения остроконечных косинусоидальных импульсов
Отношение коэффициентов
определяет ослабление побочной гармоники и носит название фильтрации .
Если воспользоваться соотношениями (11.1), (11.2), то
Принимая , где - допустимая мощность излучения антенны на побочной гармонике, из (11.3) найдём необходимое ослабление побочной гармоники, определяющее в данном случае необходимую фильтрацию:
КС в выходной цепи генератора должна обеспечивать фильтрацию , чтобы было
Для определения фактической фильтрации, которую обеспечивает КС генератора, рассмотрим схему электрической цепи рис.11.1, где - активное сопротивление, внесённое, в общем случае, в выходной (анодный, коллекторный) контур из антенного контура (контура нагрузки) на основной частоте и высшей гармонике, соответственно; - реактивные сопротивления ветвей выходного контура, подключаемого непосредственно к АЭ.
Д ля большей наглядности и удобства получаемых результатов будем считать, что цепь рис.11.1 обладает свойствами параллельного колебательного контура с полным включением (р = 1), настроенным на основную (первую) гармонику выходного тока АЭ.1
На частоте в n раз больше резонансной сопротивление параллельного колебательного контура носит ёмкостный характер и определяется выражением
Амплитуды напряжений на контуре, создаваемые токами основной (первой) и n-й гармоники выходного тока АЭ соответственно будут:
где, напомним, - характеристическое сопротивление контура; Q - нагруженная добротность контура.2
Токи , протекающие через сопротивления , соответственно:
где - величины реактивных сопротивлений ветви контура, в которую вносится сопротивление антенны, на основной (первой) и n-й гармониках выходного тока АЭ.
В последних выражениях принято , что, как отмечалось в лекции 10, всегда имеет место в колебательных контурах; также принято, что на высшей гармонике реактивное сопротивление ветви существенно больше активного сопротивления . Очевидно, в рассматриваемом случае полного включения контура , но такую замену в (11.5) мы не делаем, чтобы сделать более наглядными последующие преобразования соотношений.
Применительно к рассматриваемой цепи (рис.11.1), очевидно, следует считать , тогда коэффициент
и определяется на основании (11.5), (11.6) выражением:
Фильтрация, которую обеспечивает цепь (в данном случае параллельный колебательный контур с полным включением),
Сопротивление той ветви контура, в которую не вносится сопротивление антенны, принято называть сопротивлением связи АЭ с контуром.
Если имеет индуктивный характер, то должно иметь ёмкостный характер, тогда
Если носит ёмкостный характер, то , соответственно, имеет индуктивный характер, тогда
Следовательно, выражение (11.7) можно записать:
-
при индуктивной связи АЭ с контуром
-
при ёмкостной связи АЭ с контуром
Если КС генератора образована системой связанных контуров, то фильтрация каждого контура будет определяться одним из выражений (11.8) или (11.9). При этом величина фильтрации промежуточного контура, то есть контура, включенного между контуром, подключаемым к АЭ, и контуром нагрузки – антенны, зависит от характера связи между контурами так же, как от характера связи выходного контура с АЭ.
Последним контуром КС генератора является контур нагрузки – антенны. Так как сопротивление антенны имеет, как правило, весьма сложную зависимость от частоты, то использование выражений (11.8), (11.9) для определения фильтрации этого контура может оказаться некорректным и даст ошибочный результат. Поэтому фильтрацию антенного контура следует определять согласно следующим выражениям:
-
при индуктивной связи антенного контура с предыдущим
-
при ёмкостной связи антенного контура с предыдущим
где - модуль сопротивления антенного контура на гармонике при его последовательном обходе; - сопротивление антенного контура на рабочей частоте (основной гармонике), равное сопротивлению излучения антенны, если пренебречь собственными потерями в элементах контура (в общем случае следует учитывать в все активные сопротивления в цепи антенного контура в последовательной схеме его замещения).