|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы Рис. 1.13 надежности радиовещательных, телевизионных и некоторых связных передатчиков [1.1] и для борьбы с отражениями от неоднородностей в фидере телевизионных передатчиков изображения ("фидерным эхом") [1.1]. Эти вопросы рассмотрены в соответствующих главах пособия. В последние годы в связи с разработкой теории фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) и выпуском эффективных переменных реактивностей, управляемых напряжением, - варикапов - появилась возможность более простого построения некоторых типов передающих устройств (рис. 1.13). В таких передатчиках единственная радиочастотная ступень - мощный автогенератор - работает непосредственно на антенно-волноводный тракт, система ФАПЧ [1.1] обеспечивает заданную стабильность частоты. В автогенераторе используется мощный транзистор (или лампа), а остальные узлы передатчика строятся на основе современных микросхем. Главная трудность при таком построении передатчика заключается в Том, что нет гарантии надежной работы системы автоматической подстройки частоты при значительных изменениях внешних условий (параметры антенны, питающие напряжения, температура среды и др.). Могут возникнуть трудности и с подбором варикапа для подстраиваемого по частоте автогенератора. Составление структурной схемы передатчика начинается с выходного каскада, поскольку задается выходная мощность передатчика. Мощность транзисторов или ламп выходного каскада Pi определяется выходной мощностью передатчика Рд и потерями в его выходной фильтрующей и согласующей цепи (ВФС). Потери в выходной фильтрующей и согласующей цепи можно в первом приближении учесть на основе анализа и обобщения существующих передатчиков. Результаты такого анализа приведены в табл. 1.13, где указаны примерные значения КПД ВФС в разных условиях. Меньшие значения КПД относятся к ВФС, состоящих из одного-двух контуров, большие - из трех-четырех. Возрастание по мере увеличения числа контуров обусловлено возможностью увеличения связи между контурами. Увеличение связи приводит к возрастанию вносимого сопротивления Двн, а следовательно, и КПД ВФС: гвФС = = 1 - Рвн/(к -I- Рвн)- Таким образом, Pi = Ра/щфс- Таблица 1.13
Ламповый передатчик Необходимая паспортная (номинальная) мощность лампы (или ламп) выходного каскада определяется с учетом заданного вида и выбранной схемы модуляции, что рассмотрено в соответствующих главах. Прежде чем по требующейся мощности выбирать конкретные типы ламп, необходимо выбрать однотактное (несимметричное) или двухтактное (симметричное) построение выходного каскада. Свойства обоих вариантов построения схем общеизвестны из [1.1]. Общая тенденция сейчас такова: наиболее часто используется однотактная схема, как более простая и компактная, не нуждающаяся в дополнительных мерах подавления специфического внеполосного излучения, присущего двухтактным схемам, - "однотактной волны", т.е. несимметричной относительно общего провода ("земли"). При необходимости обеспечить работу несимметричного выходного каскада на симметричную нагрузку (например, двухпроводный симметричный фидер) применяют широкополосные симметрирующие трансформаторы с ферритовыми сердечниками (см. § 3.3) или другие средства. Поскольку пока ферритовые трансформаторы находят применение при мощностях не более нескольких десятков киловатт, передатчики большой мощности (более 100 кВт) при работе на симметричную нагрузку имеют обычно двухтактный выходной каскад. Двухтактные каскады применяют также при построении колебательных систем на основе отрезков двухпроводных симметричных линий. 1/1 наоборот, каскады, построенные на основе коаксиальных резонаторов, могут быть только однотактными. По двухтактной схеме строятся широкодиапаэонные транзисторные каскады, если для повышения КПД используется режим с отсечкой тока (обычно при этом угол отсечки коллекторного тока в = 90°). Когда в соответствии с рекомендациями § 1.4, 2.9 и с учетом построения каскада по симметричной или несимметричной схеме выбраны лампы выходного каскада, принимается решение о выборе схемы с общим катодом или общей сеткой [1.1]. В связи с известными преимуществами ламп с экранирующей сеткой и выпуском большого ассортимента новых генераторных тетродов наиболее часто в современных передатчиках используют схему с общим катодом на тетродах, дающую, как известно, наибольшее усиление по мощности. Схему с общим катодом применяют также при использовании три-.вдов в диапазонах гектаметровых волн, обычно совместно со схемами " нейтрализации вредного влияния проходной емкости триода. При необходимости использования триодов в диапазонах декаметровых и метровых волн применяют исключительно схему с общей сеткой, обладающую, как известно, малой проходной емкостью, но обеспечивающую Малое усиление по мощности. В коротковолновых и ультракоротковолновых передатчиках для повышения устойчивости по схеме с общей Сеткой иногда включают тетроды. в мощных многоканальных связных однополосных передатчиках для обеспечения необходимой высокой линейности усиления колебаний с меняющейся амплитудой также применяют включение тетродов по схеме с общей сеткой (см. гл. б). Для того чтобы определить, какие лампы следует применить в пре-доконечном каскаде, следует воспользоваться упомянутым выше коэффициентом Np = PiHOM(n)/hom(n-i). где PiHOM(n) - номинальная мощность ламп какого-то каскада, например выходного; PiHOM(n-i) - номинальная мощность ламп предшествующего каскада, в данном примере предоконечного. Для определения значений коэффициентов Np можно воспользоваться табл. 1.12. Зная номинальную мощность ламп выходного каскада и вид его работы (усиление модулированных колебаний, анодная модуляция и др.), тип ламп (с экранирующей сеткой или триоды) и схему включения (с общей сеткой или с общим катодом), по табл. 1.12 можно определить ориентировочное значение Np(n) обсуждаемого (в данном примере выходного) каскада. Теперь ориентировочное значение номинальной мощности ламп предыдущего каскада можно найхи по формуле Аном(п-1) ~ Лном(п)/ЛР(п), где индекс (п - 1) относится к предыдущему (в данном примере предоконечному) каскаду. Аналогично приведенным выше рассуждениям принимается обоснованное решение о построении (п - 1)-го каскада: однотактный или двухтактный, на тетродах или триодах, с общим катодом или с общей сеткой, конкретный тип ламп и их номинальная мощность. По табл. 1.12 для (п - 1)-го каскада определяется значение Npn-i) и вычисляется ориентировочное значение номинальной мощности ламп следующего (п-2)-го каскада. Так продолжается до тех пор, пока необходимая мощность очередного каскада окажется равной (или несколько меньшей) мощности выбранного ранее типового возбудителя или намеченной предварительно мощности автогенератора (индивидуального возбудителя). Как уже отмечалось, вероятное значение мощности возбудителя Рвозб 0,01 Вт. Наконец, зная типы ламп всех каскадов и их питающие напряжения Яа, Ес2, можно определить минимально необходимое число выпрямителей и их напряжения, величины которых должны быть стандартными [1.1; 1.27; 1.54]. Если оказалось целесообразным построить выходной каскад по симметричной (двухтактной) схеме, то, как правило, в состав передатчика приходится вводить так называемый симметрирующий каскад, осуществляющий переход от однотактной схемы к двухтактной, поскольку возбудитель и маломощные каскады в подавляющем большинстве случаев бывают однотактными. Резонансный симметрирующий каскад обладает низким КПД колебательного контура щ = I - (C/a ai)/(р<5х.хс), так как его коэффициент анодной связи р = 0,5. Поэтому номинальную мощность ламп резонансного симметрирующего каскада приходится брать в 2.. .4 раза больше необходимой для обычного каскада усиления. По этой причине симметрирующий каскад располагают в середине структурной схемы передатчика, а именно в таком месте, чтобы, с одной стороны, было как можно меньше сложных двухтактных каскадов, а с другой стороны, низкий КПД контура симметрирующего каскада не приводил к заметному снижению промышленного КПД передатчика в целом. Практически передатчики, имеющие симметричный выходной каскад, строились с двумя-тремя двухтактными каскадами при мощности примерно до 50 кВт и с тремя-четырьмя при больших мощностях. Если же каскад, предшествующий первому двухтактному, выполнен на транзисторах, то межкаскадная связь обычно выполняется на трансформаторах. При этом дополнительных трудностей в обеспечении симметричного возбуждения двухтактного каскада не возникает. Транзисторный передатчик Расчет структурной схемы транзисторного передатчика начинается с определения необходимого числа транзисторов для получения заданной мощности. Исходя из этого выясняется возможность применения "классической" структурной схемы рис. 1.14 (если для выходного каскада требуется не более четырех транзисторов) или необходимость использования системы сложения мощностей нескольких модулей (см. рис. 1.12). Следует помнить, что устройства сложения и распределения мощностей имеют Г} = 0,8 .. .0,9. При использовании схемы рис. 1.14 ее расчет производится аналогично расчету ламповой схемы. Необходимо только учитывать зависимость коэффициента усиления по мощности транзистора от частоты. В каскадах усиления мощности радиочастоты транзисторы обычно используются на пределе их возможностей по мощности и частоте. Чаще всего они работают в области высоких частот /раб > З/з [11]. поэтому Кр мал и приближенно зависит от частоты следующим образом: Кр Kp{f/fnEK/Ej,)\P{/P,), где Кр, /, Ej, Р/ из табл. 1.1-1.13 - величины, характеризующие использование транзистора в проектируемом передатчике. 
Рис. 1.14 На рабочих частотах ниже 3/;з эта закономерность не выполняется и приходится оценивать Кр транзистора на основе анализа передатчика-прототипа, сведений из справочников [1.2, 1.5]. Следует иметь в виду, что по соображениям устойчивости работы ГВВ к самовозбуждению следует принимать в расчет значения Кр не выше 25... 30 (§ 2.16). Если намеченный к применению транзистор на рабочей частоте рассматриваемого каскада предположительно обладает Кр > 30, следует попробовать подобрать другой транзистор с меньшим значением граничной частоты /д, который при той же мощности будет дешевле и несколько надежнее. Если же оказывается необходимым использовать модульный принцип построения, то прежде всего определяется возможная мощность модуля. Обычно модуль строят широкополосным трансформаторным [1.1]. Для повышения КПД используют режим с отсечкой коллекторного тока в = 90° или, реже, ключевой. При работе с отсечкой для обеспечения примерно гармонической формы колебаний на выходе модуля необходимы либо фильтрующая (и согласующая) система, либо двухтактная трансформаторная схема [1.1]. Число транзисторов в плече двухтактного усилителя не превышает двух из-за большого разброса параметров; чаще используют по одному. Выбрав тип транзистора, их число в Модуле (два или четыре) и учитывая КПД выходного трансформатора т]т.р w 0,85 .. .0,9, определяют мощность модуля и тпРх/щр, где т - число транзисторов в модуле. С учетом КПД фильтрующей системы передатчика Щфс ~ 0,75...0,9 и устройств сложения мощностей г/сл ~ 0,8...0,9 определяем число модулей в выходной группе (в выходном каскаде): М(„) РвЫх/(7ф.с»7слРм). Число модулей в предшествующей (предоконечной) группе зависит от коэффициента усиления модуля по мощности Кр, ориентировочное значение которого определяется, как описано выше, с учетом КПД входного трансформатора и устройства распределения мощности, имеющего между группами (каскадами) т]сл ~ ??расп ~ 0,8...0,9: Af(n-1) (-Рвых/?/ф.с?сл??трАр)/(7?тр?7распРм)- Естественно, число модулей может быть только целым. Если Кр модуля недостаточен (например, Кр < 5), число модулей в предшествующей группе M(-„ i) получается большим, что невыгодно. Для увеличения Кр модуля его делают состоящим из двух (или более) последовательных каскадов, причем предшествующий (менее мощный) удается выполнить на менее мощных транзисторах, которые бывают дешевле и в некоторых случаях обладают большим усилением на данных частотах. Результирующий Кр модуля равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада модуля. Число модулей в выходной группе (каскаде) целесообразно выбирать исходя из соображений обеспечения заданной степени надежности передатчика (см. § 1.8). Число групп модулей (каскадов передатчика) делается таким, чтобы в последней от выхода передатчика (ближайшей к возбудителю) группе потребовался лишь один модуль. Между этим "единичным" модулем и возбудителем может потребоваться несколько ступеней предварительного усиления. В настоящее время часто практикуют комбинированное лампово-транзисторное построение передатчиков, самые мощные каскады (или только один выходной) строят на радиолампах, а все предшествующие - на транзисторах, причем транзисторные каскады обычно выполняются широкополосными. Примером может служить передатчик ПСВ-5. Особенность перехода от транзисторных каскадов к ламповым заключается в значительном различии радиочастотных напряжений в коллекторной цепи транзистора [/к ~ 15 ... 30 В и в сеточной цепи лампы f/c « 50 ... 300 В при входной емкости лампы Свх = Сек ~ 74 .. .450 пФ, причем новейшие лампы с большей крутизной и соответственно меньшим значением [/ имеют большую входную емкость. Поскольку у широкополосных транзисторных усилителей мощности в коллекторной цепи обычно включают трансформатор, его можно использовать для повышения напряжения на сетке лампы (рис. 1.14,а). Потребуется коэффициент трансформирования п = U-jUc » 2...8 и больше. Однако при этом увеличивается емкость, вносимая в коллекторную цепь Свн = (Сек + Сот) складывающаяся с выходной емкостью транзистора, паразитной емкостью трансформатора и монтажа Свых -Ь Стр -I- Сонт. а это затрудняет получение широкой полосы пропускания. Широкополосный трансформатор удается выполнить при п < 10, предпочтительно иметь п 5...6. Для компенсации паразитной емкости в узкодиапазонных (или широкодиапазонных с перестраиваемыми контурами) передатчиках может быть включена индуктивность, которая вместе с этой емкостью должна настраиваться в резонанс с рабочей частотой (параллельный или П-контур, рис. 1.14,6): = ijJlic + Сот + (Свых + С[;,ог + Схр)/п2]. Контур может быть использован для дополнительного повышения напряжения посредством частичного (автотрансформаторного) подключения входного напряжения, как это сделано в передатчике ПСВ-5. В широкополосных неперестраиваемых передатчиках для уменьшения вредного влияния паразитных емкостей параллельно входу лампы целесообразно включить резистор Дкор (рис. 1.14,е), а выход транзисторного усилителя подключить через корректирующий четырехполюсник. Если считать транзистор источником тока (недонапряженный режим), то известное соотношение Боде-Фано для корректирующего четырехполюсника в виде фильтра нижних частот с полосой О . . .шах позво- , ляет вычислить Дкор = 7г/(2Спартах), ГДе Спар = Свх "Ь Сот е- ственно, на резисторе йкор рассеивается мощность Дкор = с/2Дкор, которая потребляется от предшествующего транзисторного каскада. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 |
||||||||||||||||||||||||||