63710 (Разработка и исследование унифицированных модулей широкополосных трансформаторов типа длинной линии), страница 8

Таким образом, в результате проработки 15^ти вариантов широкополосных трансформаторов были выявлены наилучшие характеристики у ТДЛ-11 (К_Ш=8500) и ТДЛ-14 (К_Ш=8500) максимально удовлетворяющие требованиям технического задания.

Вывод: в результате исследований появилась необходимость выявить оптимальное решение между µ сердечника и количеством витков W, технологию намотки (плоская, скручиваемая, намотанная). Также получены следующие рекомендации по намотке ТДЛ:

Для расширения диапазона рабочих частот «вверх» - число витков должно быть минимальным, а сердечник – с меньшим диаметром.

ρ≈50 Ом (т.е. больший диаметр провода D≈0.52-1мм).

µ сердечника – максимальное.

Для расширения диапазона «вниз» µ необходимо снижать, а диаметр сердечника увеличивать.

Чем больше скруток, тем меньше ρ.

Чем толще провод, тем меньше ρ.

3. Анализ и исследование оптимального варианта ТДЛ

В общем решении задачи синтеза широкополосных трансформирующих цепей без потерь, служащих для согласования активных сопротивлений, можно выделить два этапа. Первый из них состоит в установлении принципа построения трансформатора, позволяющего определить его схемную структуру. Второй этап заключается в отыскании элементов цепи (значений индуктивностей и емкостей, волновых сопротивлений и длин линий). Во всех случаях для упрощения численных расчетов, повышения их точности и выявления общих закономерностей целесообразно установить пути аналитического определения возможно большего числа параметров.

Для дальнейшего исследования выбираем широкополосный трансформатор ТДЛ-11 и ТДЛ-14 поскольку они показали наилучшие характеристики. Критерием выбора послужил К_Ш=8500.

Как известно, для достижения наибольшей полосы рабочих частот в широкополосном трансформаторе должно быть выполнено условие постоянства волнового сопротивления по всей длине линии передачи.

Волновое сопротивление ТДЛ-11:

(3.1)

Волновое сопротивление ТДЛ-11:

(3.2)

Рассмотрим ТДЛ 1:3, нагруженный на входе и выходе (рис. 3.1). Для него дуальная схема приведена на рис.3.2.

Сопоставляя схемы на рис. и рис., видим, что они идентичны. Это означает, что схема рассматриваемого ТДЛ является самодуальной, т.е. . Самодуальной будем называть структуру, дуальная которой тождественна исходной, имея в общем случае различающиеся параметры.

Для согласования при необходимо, чтобы напряжение на выходе второй ступени ( ) было в 3 раза больше входного напряжения и имело обратный знак. Отсюда следует, что . В результате имеем систему уравнений:

, (3.3)

из которой следует, что

, а .

Соотношение волновых сопротивлений во взаимосвязи с сопротивлениями сигнала и нагрузки при бесконечной длине линий должно удовлетворять уравнению[1]:

; (3.4)

Из рассмотрения эквивалентной схемы ТДЛ на низкой частоте (рис. 3.3), получим для отношения мощности, выделяемой в нагрузке Р_Н, к номинальной мощности источника возбуждения Р_ВХ [1]:

; (3.5)

(3.6)

;

L- индуктивность первичной обмотки при частоте .

Рис.3.3.

Приняв на нижней частоте диапазона f_Н допустимое уменьшение мощности на 3 дБ, получим для требуемой индуктивности первичной обмотки: .

4. Разработка широкополосного высоколинейного экспериментального усилителя на основе выбранного оптимального ТДЛ

Необходимо разработать усилитель, функционирующий в диапазоне частот 0.01-100 МГц с усилением 12±1 дБ и динамическим диапазоном по нелинейности (интермодуляционным составляющим) второго и третьего порядков 90-120 дБ, допускающим уровень блокирующей помехи менее 1.5В, при котором δ_БЛ≤20%. Спроектировать в соответствии с требованиями, предъявляемыми к современным перспективным широкополосным усилителям (ШПУ). Усилитель в рабочем диапазоне частот имеет следующие технические показатели:

коэффициент усиления - 12±1 дБ;

коэффициент шума – не более 3.0 дБ;

входные и выходные сопротивления – в пределах 30-80 Ом;

сопротивления источника сигнала (генератора) и нагрузки – 75 Ом;

нелинейные искажения, оцениваемые динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка, - 90-120 дБ;

напряжение питания при токе потребления 100мА - 15±1В;

амплитуда блокирования помехи не менее 1.5В;

Рис.4.1. Принципиальная схема усилителя.

На основании проработки и анализа оптимальных технических решений, взят за основу усилитель на линейном транзисторе 2Т339А [А.С. №1166270 Авт. Невмержицкий Г.И., Сартасов Н.А., Симонтов И.М., Тихонов А.И. Бюл.25 07.07.85. Широкополосный усилитель], в результате чего разработан и исследован наиболее перспективный его вариант на входе и выходе которого включены выбранные ТДЛ-11 и ТДЛ-14 соответственно, волновое сопротивление (ρ) которых полностью определяет широкополосность усилителя. Принципиальная схема усилителя приведена на рис.4.1. В схеме использованы трансформаторы разработанные в разделе № 3.

Коэффициент усиления

,

где и - соответственно действующее значение выходного и входного напряжений усилителя (при частоте ), измеряется в диапазоне частот по схеме рис.4.2. Экспериментальные данные сведены в таблицу 4.1.

Рис.4.2. Схема для измерения коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений усилителя.

Для достижения в ТДЛ максимальной широкополосности ДЛ согласуют с источником сигнала и нагрузки , т.е. как со стороны входа, так и со стороны выхода усилителя.

,

где и - соответственно действующее значение выходного и входного напряжений усилителя (при частоте ).

Основным показателем, характеризующим амплитуду напряжений продукта нелинейного преобразования на выходе усилителя, является коэффициент нелинейности интермодуляционных (комбинационных) составляющих соответствующих порядков. В частности, для составляющей третьего порядка этот коэффициент определяется формулой:

,

где - амплитуда напряжения третьего порядка на выходе усилителя; - амплитуда напряжения выходного полезного сигнала с частотой . Коэффициент нелинейности измеряется в диапазоне частот по схеме рис.4.3 двухсигнальным методом. Результат измерений приведен в таблице 4.1.

Широкополосность усилителя в целом определяется нижней и верхней граничными частотами, на которых коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ (1.7 раз). При этом нижняя граничная частота определяется максимальным значением магнитной проницаемости µ≥4000 и наибольшим числом витков.

Рис.4.3. Схема для измерения коэффициента нелинейности К₃ двухсигнальным методом.

Верхняя граничная частота усилителя определяется максимальной граничной частотой биполярного транзистора (БПТ), а также минимальными геометрическими размерами ферритового кольца. При этом для уменьшения входного сопротивления усилителя на низких частотах необходимо увеличить погонную емкость С, что достигается скручиванием проводников.

Кроме того, для уменьшения шумов и нелинейных искажений в схему ШПУ введена «бесшумная» отрицательная обратная связь (ООС) по току за счет дополнительной обмотки , шунтирование которой резистором малой величины компенсирует ограничение широкополосности из-за введения ООС.

Рис.5.4. Амплитудно - частотная характеристика экспериментального усилителя функционирующий в диапазоне частот 10кГц – 85МГц