Широкодиапазонные колебательные системы ГВВ.

Во многих радиотехнических системах передатчики работают в широком диапазоне частот. Например, в системах связи и вещания декаметровых волн требуется быстрая перестройка передатчика в диапазоне от 1,5 до 10 МГц, в системах связи – перестройка в отдельных полосах в диапазоне 30 – 300 МГц, в диапазоне дециметровых волн требуются ГВВ с полосой пропускания 220 – 400 МГц, 500 – 1000 МГц, 1000 – 2000 МГц и т.д. В таких широкодиапазонных устройствах применение ГВВ с резонансными контурами, перестраиваемыми вручную или автоматически, далеко не оптимально. Перестраиваемые контуры при этом становятся громоздкими, а из-за скользящих контактов ненадежными. Поэтому переход к широкодиапазонным генераторам без резонансных контуров позволяет обойтись без подстроечных и перестроечных элементов. В этом случае смена рабочей частоты передатчика практически сводится только к изменению частоты в его возбудителе, а также к переключению выходного фильтра и к перестройке устройства в согласования с антенной (рисунок 1.) Это упрощает и ускоряет перестройку и настройку передатчика и в конечном счете повышает его надежность, удешевляет эксплуатацию. Одновременно переход к широкодиапазонным каскадам позволяет снизить токи и напряжения на реактивных элементах их колебательных систем, а следовательно, последовательно уменьшить в них потери и их габаритные размеры. В то же время необходимость выравнивания коэффициента усиления по мощности К_р в каждом каскаде по диапазону может вести к снижению абсолютного значения К_р и увеличению общего числа каскадов передатчика. Кроме того, при уровнях мощности выше 1 -10 кВт из-за сложностей в построении ферритовых трансформаторов, а также выходных колебательных систем в виде переключаемых фильтров применяют резонансные перестраиваемые цепи связи и выходные фильтры.

Рисунок 1.Структурная схема широкодиапазонного ВЧ тракта с ВКС в виде переключаемых фильтров и согласующим устройством.

Условно принято считать широкодиапазонными генераторы с коэффициентом перекрытия по частоте, превышающим 2, т.е. >2. При этом их колебательные цепи не обеспечивают ослабления высших гармоник в нагрузке, т.к. при работе на частотах ниже вторая и последующие высшие гармоники могут попадать в полосу пропускания колебательной системы. Именно поэтому в предварительных маломощных каскадах электронные приборы работают в классе А, а в мощных оконечных каскадах в цепях повышения энергетических показателей – в режиме класса В по двухтактной схеме. В этих случаях в нагрузке обеспечивается достаточно гармоническое напряжение или ток.

В широкодиапазонных, в первую очередь в ламповых, каскадах для трансформации нагрузочных сопротивлений применяют трансформаторы с магнитной связью между обмотками. Коэффициент трансформации по сопротивлениям дискретный и пропорционален квадрату отношения числа витков первичной и вторичной обмоток . Полоса пропускания таких трансформаторов ограничена: снизу – индуктивностями намагничивания обмоток (L_M); сверху – индуктивностями рассеяния обмоток (L_S) и паразитными емкостями (C_n). Для расширения полосы пропускания необходимо увеличивать L_M и одновременно снижать L_S и C_n. Однако эти требования противоречивы. Рациональным конструированием удается обеспечить полосу пропускания с коэффициентом перекрытия по частоте до К_Ф=10 – 30 на частотах от 0,1 – 0,2 МГц до30 – 100 МГц при сравнительно больших сопротивлениях нагрузки от25 – 100 Ом до 1 – 10 кОм. Однако применительно к транзисторным каскадам такие цепи могут оказаться непригодными. Для современных мощных генераторных транзисторов характерны очень низкие входные и нагрузочные сопротивления, измеряемые единицами и даже долями Ом. При этом индуктивности рассеяния обмоток трансформатора с магнитной связью не должны превышать единиц и долей нГн (10^-9 Гн), что практически невозможно выполнить.

Для трансформации относительно малых сопротивлений в диапазоне частот от 1 до 300 МГц используют трансформаторы на отрезках линий с определенным, заранее заданным волновым сопротивлением. Принцип работы рассмотрим на простейшем примере – трансформаторе на одной линии (рисунок 2).

Рисунок 2.Трансформатор на линии.

Здесь двухпроводная линия соединяет генератор U_Г и нагрузочное сопротивление R_Н. За счет сильной электромагнитной связи между проводами линии при , если потерями в линии пренебречь, в любом ее сечении, в том числе и между выходными точками 2-4, наводится ЭДС, равная U_Г.

При активном нагрузочном сопротивлении, равном волновому сопротивлению линии (R_н=Z_В), модуль коэффициента передачи по напряжению равен единице и линия-трансформатор вносит только фазовый сдвиг, равный . При согласованной нагрузке одновременно будет резистивным и постоянным входное сопротивление линии, т.е. . Если на выходе соединить с корпусом верхний проводник линии, то на нагрузочном сопротивлении R_Н получаем противофазное напряжение U_Н (рисунок 2,б). Однако при этом к проводникам 1-2 и3-4 приложено продольное напряжение U_пр, равное . Чтобы образованный им ток во входном и нагрузочном контурах (показано штриховой линией) был значительно меньше основного тока . При этом должны быть достаточно большими продольные индуктивности проводников линий, такими, чтобы их индуктивные сопротивления были >> , >> . С этой целью необходимо брать линию достаточной длины и располагать ее на феррите с большой магнитной проницаемостью .

Практически в качестве линий используют специальные полосовые и коаксиальные кабели с волновыми сопротивлениями от 3 до 75 – 150 Ом и выше. В зависимости от геометрических размеров либо на кабель надевают ферритовые кольца или трубки, либо он наматывается на ферритовые кольца или трубку. Широко используются трансформаторы, в которых несколько витков кабеля пропущены через ферритовые кольца или трубки, образующие два параллельно расположенных цилиндра.