Лекция 16

Блочный принцип сложения мощностей ГВВ. Сложение мощностей ГВВ в пространстве. Модульный принцип наращивания мощности – антенные решётки. Мостовой принцип сложения мощностей ГВВ, его особенности. Режимы мостовых схем в аварийных случаях. Примеры мостовых схем, их сравнение.

Построение генераторов с использованием параллельного и двухтактного включений АЭ позволяет увеличить мощность генератора за счёт сложения мощностей АЭ. Однако при параллельном и двухтактном включениях АЭ имеет место сильное взаимное влияние АЭ, что проявляется через ощущаемые АЭ сопротивления¹. При этом выход из строя одного АЭ, например, за счёт короткого замыкания или обрыва в цепях, может привести не только к снижению мощности генератора на величину мощности отключившегося АЭ, но и к выходу из строя части или всех остальных АЭ. Как отмечалось, за счёт сильного взаимного влияния больше двух–трёх АЭ параллельно не включают, в том числе и в каждом плече двухтактного ГВВ. В то же время в некоторых случаях требуются генераторы таких больших мощностей, которые не могут быть получены от одного или нескольких АЭ существующих типов, включаемых параллельно и по двухтактной схеме. Для таких генераторов разрабатывают новые специальные АЭ повышенной мощности. Однако такой путь не всегда является лучшим, так как разработка и организация производства новых ламп и транзисторов обходятся дорого, отнимают много времени, а потребность в таких АЭ, в первую очередь это относится к мощным лампам, сравнительно невелика. Мощные генераторные приборы, как правило, имеют и невысокую надёжность. Кроме того, существуют физические и технологические ограничения по созданию более мощных приборов, обусловленные как электрической прочностью используемых материалов, так и их химической чистотой. В настоящее время разработаны генераторные лампы на мощности 0,5…3,0 МВт, а генераторные транзисторы – 250…1000 Вт на частотах до 150…1000 МГц. Дальнейшее увеличение мощностей в несколько раз, а тем более на порядок, представляет трудную, практически невыполнимую сегодня задачу.

Поэтому специалисты искали и ищут другие схемные методы построения генераторов большой мощности. Практическое применение получили следующие методы:

• сложение мощностей нескольких блоков в общем контуре;

• сложение высокочастотных полей в пространстве;

• сложение мощностей с помощью мостовых схем.

Возможная реализация метода сложения мощностей блоков в общем контуре показана на рис.16.1. Выходной каскад передатчика выполняется в виде нескольких идентичных блоков, связанных с общим контуром нагрузки. Блоки включены параллельно. Возможно последовательное включение блоков. Результирующая мощность в нагрузке равна сумме мощностей складываемых блоков. Независимо от способа включения блоков работа их оказывается взаимозависимой, так как все они связываются между собою через общий контур нагрузки. Выход из строя одного блока сказывается на работе оставшихся, что требует соответствующей регулировки связи блоков с контуром нагрузки. Вышедший из строя блок отключается и восстанавливается. Подобный принцип использовался при построении мощных и сверхмощных отечественных радиовещательных станций.

Схема сложения высокочастотных полей в пространстве на примере двух радиопередатчиков показана на рис.16.2. Передатчиков может быть больше. Если мощности складываемых передатчиков одинаковы, то сложение электромагнитных полей в пространстве эквивалентно увеличению мощности в N ² раз, где N- число передатчиков, так как напряжённость результирующего электромагнитного поля в зоне приёма увеличивается в N раз.

Е
сли сложение высокочастотных полей в пространстве не требуется, то передатчики могут работать независимо друг от друга на разных частотах, с разными корреспондентами и передавать разные программы (переключатели П₁ и П₂ в положении III). При переходе в режим сложения оба передатчика настраиваются на одну частоту и возбуждаются от одного возбудителя (переключатели в положении I или II соответственно).

Каждый передатчик работает на свою антенну, являющуюся частью общей антенной системы. Для получения хорошей формы результирующей диаграммы направленности и ослабления взаимного влияния передатчиков друг на друга через антенны расстояние между центрами антенн должно быть (3/4) λ. Антенны при этом должны питаться синфазными токами. Если питающие токи различаются по фазе, то диаграмма излучения антенн (диаграмма направленности) поворачивается. Для корректировки диаграммы направленности и её поворота между возбудителем и одним передатчиком устанавливается фазо-вращатель, например, расстраиваемый контур. Сложение высокочастотных полей в пространстве первоначально нашло применение в КВ-диапазоне.

Метод сложения высокочастотных электромагнитных полей в пространстве в последние 20…30 лет получил развитие и широкое распространение в так называемых фазированных антенных решётках (ФАР) в диапазоне СВЧ. В некоторых ФАР обеспечивается сложение нескольких тысяч относительно маломощных генераторов.

В современных радиопередатчиках всех диапазонов волн широкое применение получил метод сложения мощностей генераторов с помощью мостовых схем. В этом случае при суммировании мощностей двух и более генераторов обеспечивается их взаимная электрическая развязка: каждый из генераторов работает независимо от других на оптимальную для него нагрузку, в то время как у остальных генераторов режим может меняться вплоть до короткого замыкания или холостого хода.

Простейшая мостовая схема для сложения мощностей двух генераторов гармонических сигналов Г₁ и Г₂ показана на рис.16.3.

М ост образован двумя реактивными сопротивлениями одинакового характера (ёмкостного или индуктивного) Х₁, Х₂ и двумя резистивными (активными) сопротивлениями: R_н - сопротивление полезной нагрузки, R_б - балластное сопротивление. Без сопротивления R_б нельзя сбалансировать мост и этим развязать генераторы. Поэтому сопротивление R_б в схеме моста называют также развязывающим сопротивлением.

При выполнении условия баланса моста:

Х₁R_б = Х₂R_н (16.1)

ток (напряжение) одного генератора не попадает в ветвь включения другого генератора, в силу чего режим работы одного генератора никак не сказывается на режиме работы другого генератора.

Пути протекания составляющих комплексных токов генераторов при условии баланса моста (16.1) показаны стрелками на рис.16.3. При этом комплексный ток генератора Г₁ I₁ = I₁^/ + I₁^// , а комплексный ток генератора Г₂ I₂ = I₂^/ + I₂^//.

Схема рис.16.3 является одним из вариантов классической мостовой схемы: конфигурация её напоминает квадрат (или ромб), по сторонам которого включены сопротивления, а в диагонали включены генераторы.

При принятых на рис.16.3 обозначениях и направлениях токов комплексная амплитуда результирующего тока через нагрузку I_RН = I₁^/ + I₂^/, соответственно выделяемая в нагрузке мощность

комплексная амплитуда результирующего тока через балластное сопротивление
I_Rб = I₁^/ – I₂^//, а выделяемая в нём мощность

Если обеспечить I₁^/ = I₂^//, то I_Rб = 0, P_Rб = 0 и вся мощность от генераторов Г₁, Г₂ выделяется на сопротивлении нагрузки R_Н, то есть происходит сложение мощностей генераторов на сопротивлении нагрузки.

Входные сопротивления моста, нагружающие каждый из генераторов в схеме рис.16.3, не являются одинаковыми и определяются параллельным соединением сопротивлений ветвей, подключаемых к соответствующей диагонали.

При принятых на схеме рис.16.3 обозначениях входное сопротивление моста для генератора Г₁:

(16.2а)

для генератора Г₂:

(16.2б)

Как видим, входные сопротивления моста со стороны каждого из генераторов являются комплексными и отличающимися от сопротивления полезной нагрузки R_Н.

Неравенство входных сопротивлений моста (16.2) для каждого из генераторов приводит к тому, что при идентичности генераторов и синфазном возбуждении их токи в ветвях моста не будут одинаковыми: равными по амплитуде и совпадающими по фазе. Однако в мостовых схемах можно и не требовать точного равенства и синфазности токов генераторов в ветвях моста. Это также, помимо электрической развязки генераторов при балансе моста, является одним из достоинств сложения мощностей генераторов с помощью мостовых схем.

Так как при разработке генератора известно сопротивление полезной нагрузки R_Н, то, очевидно, целесообразно для удобства реализации моста принять Х₁ = Х₂ = Х, тогда
R_б = R_Н. В этом случае в схеме (рис.16.3) обеспечивается равенство токов: I₂^/ = I₂^//.

В схеме рис.16.3 ток I₁^/ определяет потребляемую от генератора Г₁ мощность, а ток
I₁^// - реактивную мощность этого генератора. Токи I₂^/ и I₂^// определяют потребляемую от генератора Г₂ мощность и реактивную мощность этого генератора.

Очевидно, если в схеме рис.16.3 I₁^/ = I₂^//, то при Х₁ = Х₂ = Х и R_б = R_Н:

I_RН = I₁^/ +I₂^/ = I₁^/ + I₂^// = 2I₁^/; I_Rб = 0.

Соответственно Р_Rб = 0, , где - амплитуда тока I₁^/.

При работе только генератора Г₁ потребляемая от него мощность выделяется на сопротивлениях R_б, R_Н и при R_б = R_Н , Х₁ = Х₂ = Х будет:

При работе только генератора Г₂ потребляемая от него мощность также выделяется на сопротивлениях R_б, R_Н и при R_б = R_Н , Х₁ = Х₂ = Х будет:

,

где - амплитуды соответствующих токов I₂^/ = I₂^//.

Очевидно, при I₁^/ = I₂^/ = I₂^//: Р_Г1 = Р_Г2 = Р_Г.