20366

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ВЧ ГВВ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ВЧ ГВВ 10. Согласующие цепи в узкополосных ВЧ транзисторных генераторах 10. Согласующие цепи в широкополосных ВЧ генераторах 10. Обобщенная схема ГВВ Назначение входной цепи состоит в согласовании входного сопротивления транзистора Zвх с источником возбуждения.

Русский

2013-07-25

136 KB

55 чел.

Лекция 10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ВЧ ГВВ

10.1. Назначение и классификация цепей

10.2. Согласующие цепи в узкополосных ВЧ транзисторных генераторах

10.3. Согласование ВЧ генератора с антенной

10.4. Согласующие цепи в широкополосных ВЧ генераторах

10.5. Контрольные вопросы

10.1. Назначение и классификация цепей

Известно большое число разнообразных схем транзисторных ГВВ, например с биполярным и полевым транзистором (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Схемы ГВВ на транзисторах: а)- с биполярным -б) с полевым транзистором

При всем разнообразии этих схем они все вытекают из обобщенной схемы генератора, состоящей из включенных каскадно, входной и выходной согласующих цепей и транзистора (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Обобщенная схема ГВВ

Назначение входной цепи состоит в согласовании входного сопротивления транзистора Zвх с источником возбуждения. Назначение выходной цепи заключается в согласовании выходного сопротивления транзистора Zвых с нагрузкой и в фильтрации высших гармоник сигнала (рис. 10.3).

Рис. 11.3.

Условиями такого оптимального согласования является выполнение равенств

; .                                    (11.1)

При их соблюдении коэффициент передачи цепи по мощности КР=1, что означает полную передачу номинальной мощности генератора в нагрузку.

По назначению следует различать три основных случая согласования цепей применительно к ГВВ:

– согласование входного сопротивления транзистора с предыдущим каскадом;

– согласование выходного сопротивления транзистора со следующим каскадом;

– согласование выходного сопротивления транзистора с антенной.

Другая классификация электрических цепей связана с полосой их пропускания fпр при среднем значении частоты в этой полосе f0. Здесь можно различать три основных случая:

– узкополосная цепь при (fпр/f0)=1…2%;

– среднеполосная цепь при 2%(fпр/f0)20%;

– широкополосная цепь при (fпр/f0)20%.

В узкополосной цепи можно произвести согласование, близкое к оптимальному, при комплексной нагрузке; в широкополосной - только при активной нагрузке. Вместе с тем потребность в широкополосных генераторах весьма велика. Во-первых, они применяются в диапазонных радиопередатчиках, обеспечивая усиление сигнала по мощности на любой из частот в заданном диапазоне без перестройки электрических цепей, что существенно упрощает конструкцию радиопередатчика в целом и повышает надежность его работы. Во-вторых, они используются при усилении широкополосных сигналов.

Особенность полупроводниковых генераторов состоит в том, что мощные транзисторы имеют низкие значения входного и выходного сопротивлений (несколько Ом).

10.2. Согласующие цепи в узкополосных ВЧ транзисторных генераторах

Одна из часто применяемых входных согласующих цепей в транзисторных генераторах приведена на рис. 10.1, а.

Рис. 10.1. Согласующие цепи в ВЧ транзисторных генераторах

Параметры схемы на рис. 10.1,а при известном входном сопротивлении транзистора R2 и требуемом сопротивлении на входе согласующей цепи R1>R2 можно рассчитать по формулам:

 (10.1)

где R1>R2.

Определив реактивные сопротивления, найдем значения индуктивности и емкостей:

   (10.2)

где - частота сигнала генератора.

Программа на языке Mathcad позволяет быстро выполнить расчеты согласно (10.1), (10.2). (Размерность всех величин указана в программе.)

R1:=50  R2:=2  F:=300 MHz

 XL:=10,0   L=5,3 nGn

 X1:=10,0  C1=53,1 pF

 X2=10,8

 С2=49,0 pF

В качестве выходной согласующей цепи в ВЧ транзисторных генераторах наиболее часто используется П-образный фильтр (рис. 10.1,б). Сопротивления реактивных элементов в схеме рассчитываются по формуле:

.    (10.3)

Программа на языке Mathcad позволяет быстро выполнить расчеты согласно (10.2), (10.3). (Размерность всех величин указана в программе)

R1:=5  R2:=50  F:=300 MHz

 X:=15,8

 L=8,4 nGn

 C1=33,6 pF

 C2=33,6 pF

При напряжении U1=const (рис. 10.1,б) зависимость напряжения U2 на нагрузке R2 от частоты имеет вид:

.    (10.4.)

Здесь х=/1 - относительная расстройка по частоте:

где - частота, при которой согласно рассчитываются параметры схемы; КU - коэффициент трансформации по напряжению; - волновое сопротивление П-фильтра; U20 - напряжение U2 при частоте =1 или х=1.

Отметим, что коэффициент трансформации схемы по сопротивлению KR=(КU)2. Графики функции (10.4), обозначенные как Y(x), при значении коэффициента трансформации КU=1; 2 и 4 или KR=1; 4 и 16 построены на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Графики функции Y(x)

С их помощью можно определить полосу пропускания согласующего устройства и его фильтрующие свойства. Из графиков следует, что чем больше значение KR, тем уже полоса пропускания.

10.3. Согласование ВЧ генератора с антенной

Согласование выходного каскада с антенной определяет, какая часть мощности ВЧ сигнала радиопередатчика будет подведена к антенне и излучена в пространство. Отсутствие надлежащего согласования между антенной и радиопередатчиком недопустимо. Рассмотрим как при заданных параметрах антенны можно передать ей максимально возможную мощность передатчика.

Антенна по отношению к радиопередатчику имеет определенное входное сопротивление, зависящее от конструкции и размеров антенны, окружающих ее предметов, длины волны и других факторов. При анализе антенна характеризуется эквивалентным комплексным сопротивлением: ZA(f)=RА(f)+jRА(f). В качестве примера на рис. 10.3 приведены характеристики входного сопротивления антенны типа горизонтальный вибратор при волновом сопротивлении а=460 Ом.

Рис. 10.3. Характеристики входного сопротивления антенны типа горизонтальный вибратор

Оптимальное согласование передатчика с антенной означает передачу номинальной мощности выходного каскада радиопередатчика - ГВВ - в активную составляющую RА(f). Выполнение данного условия осложняется тем, что антенна связана с передатчиком фидером. Потери, связанные с передачей мощности от передатчика в антенну обусловлены двумя активными потерями в фидере: B=Lb, где L - длина фидера, м; b - потери на один метр, дБ/м и отражением сигнала от антенны.

Для снижения первой составляющей потерь следует по возможности выбирать фидера с минимальными потерями и уменьшать его длину.

Вторая причина потерь связана с отражением сигнала от антенны. В фидере, соединяющем генератор с нагрузкой (рис. 10.4,а), распространяются две волны: падающая с комплексной амплитудой Uпад и отраженная от нагрузки с амплитудой Uпад, Количественно этот процесс оценивается с помощью коэффициента отражения:

,    (10.5)

где - волновое сопротивление фидера.

Амплитуды падающей и отраженной волны измеряются в месте подключения фидера к антенне (рис. 10.4, а).

Рис. 10.4. Измерение амплитуд падающей и отраженной волны

Для мощностей падающей волны, отраженной волны, передаваемой в антенну и излучаемой в пространство имеем:

(10.6)

Из (10.6) следует, что для полной передачи мощности из фидера в антенну необходимо иметь коэффициент отражения нагрузки ГА=0. Для выполнения условия, близкого к ГА=0, между антенной и фидером включается согласующее устройство, составленное из реактивных элементов (рис. 10.4,б). Назначение согласующего устройства состоит в преобразовании комплексного сопротивления антенны ZA в активное величиной Rвх.с=. Две возможные схемы согласующего устройства при емкостном характере сопротивления антенны приведены на рис. 10.5. Входная комплексная проводимость схемы (рис. 10.5,а):

.   (10.6)

Рис. 10.5. Согласующего устройства при емкостном характере сопротивления антенны

Для выполнения условия оптимального согласования антенны с фидером Rвх.с= (Гс=0) необходимо в (8.6) получить действительную часть проводимости Re(Yвх)=1/, а мнимую Im(Yвх)=0. Составив и решив два данных уравнения, получим выражения для реактивных элементов согласующего устройства при RА>(RА)2:

.  (10.7)

При X1>0 применяется схема (рис. 10.5,а). В этом случае элемент X1 - емкость. При X1<0 - схема (рис. 10.5,б). В таком случае элемент X1 - индуктивность.

Пример. Для антенны (RА=10 Ом, XA=5 Ом) получить Rвх.с==50 Ом.

Согласно (10.7) получим: X1=15 Ом, X2=25 Ом при схеме на рис. 10.5, а.

Подставив эти величины в (10.6), имеем Yвх=1/=0,02 1/Ом или Rвх=50 Ом.

В случае диапазонного передатчика элементы согласующего устройства перестраиваются так, чтобы на любой частоте выполнялись условия оптимального согласования. Настройка перестраиваемых элементов Х1 и Х2 осуществляется обычно автоматически по сигналам соответствующих датчиков. Ими могут быть датчики падающей (Uпaд) и отраженной волны (Uотр). С помощью системы авторегулирования устанавливается максимум падающей и минимум отраженной волны, что соответствует оптимальному согласованию радиопередатчика с антенной.

10.5. Контрольные вопросы

1. В чем состоит назначение согласующих цепей в генераторе?

2. Какие согласующие цепи называются широкополосными и какие узкополосными?

3. Нарисуйте входную согласующую цепь в транзисторном генераторе.

4. Нарисуйте выходную согласующую цепь в транзисторном генераторе.

5. Как производится согласование выходного каскада передатчика с антенной?

6. Нарисуйте схему согласующего устройства.

7. Как определяется передача мощности от радиопередатчика в антенну?

8. Что означает и как определяется мощность падающей и отраженной волны?

9. Как определяются предельные возможности по согласованию цепи при комплексной нагрузке?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6086. Расчет балок на прочность 63.5 KB
  Расчет балок на прочность. Внешняя нагрузка обычно задана, поэтому для нахождения всех действующих на балку сил необходимо вычислить реакции опор. Напомним, что наименьшее число связей, обеспечивающее неподвижность балки по отношению к основанию в о...
6087. Определение напряжений и деформаций при кручении вала круглого сечения 38.5 KB
  Определение напряжений и деформаций при кручении вала круглого сечения При анализе деформаций кручения будем основываться на следующих гипотезах: При кручении круглого вала поперечные сечения, плоские до деформации вала, остаются плоскими и пе...
6088. Инвестиционная политика государства 32.45 KB
  Введение На современном этапе развития российской экономики многие экономисты ставят вопросы о продуманной экономической политике государства. Правильная экономическая политика государства является залогом успешного развития страны в целом, немалова...
6089. Стандартизация и взаимозаменяемость деталей машин 40 KB
  Стандартизация и взаимозаменяемость деталей машин Стандартизацией называется процесс установления в применения стандартов - документов, содержащих обязательные нормы, правила и требования, относящиеся к различным сторонам человеческой деятельно...
6090. Схеми на операційних підсилювачах 27.74 KB
  Схеми на операційних підсилювачах У даній роботі досліджується ряд схем, побудованих на основі операційних підсилювачів (ОП). Ідеальний ОП характеризується коефіцієнтом підсилення та вхідним опором, що прямують до нескінченості, вихідним опором, що ...
6091. Прессовые соединения 37 KB
  Прессовые соединения Прессовым называется соединение составных частей изделий с гарантированным натягом вследствие того, что размер охватываемой детали больше соответствующего размера охватывающей детали. Прессовые соединения передают рабочие нагруз...
6092. Механические муфты. Назначение и классификация муфт 33 KB
  Механические муфты. Назначение и классификация муфт Приводными муфтами (обычно просто муфтами) называются устройства, служащие для кинематической и силовой связи валов в приводах машин и механизмов. Муфты передают с одного вала на другой вращающий м...
6093. Состав горючих газов 32.23 KB
  Состав горючих газов. В состав газообразного топлива входят горючие и негорючие газы. Физико-химические и теплотехнические характеристики газового топлива обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных к...
6094. Детали машин как научная дисциплина 30 KB
  Детали машин - научная дисциплина, включающая теорию, расчет и конструирование деталей общего назначения. Как отдельные детали и узлы любой машины, так и машина в целом должны удовлетворять следующим требованиям: работоспособности Работоспособным...