20371

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЧ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЧ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 4. Обобщенная схема генератора с внешним возбуждением и ее анализ 4. Динамические характеристики ВЧ генератора и максимально отдаваемая им мощность 4. Нагрузочные амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора 4.

Русский

2013-07-25

372.5 KB

62 чел.

Лекция 4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЧ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

4.1. Обобщенная схема генератора с внешним возбуждением и ее анализ

4.2. Баланс мощностей в ВЧ генераторе

4.3. Динамические характеристики ВЧ генератора и максимально отдаваемая им мощность

4.4. Нагрузочные, амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора

4.5. Согласование электронного прибора с источником возбуждения и нагрузкой и номинальный коэффициент усиления по мощности ВЧ генератора

4.1. Обобщенная схема генератора с внешним возбуждением и ее анализ

Большое число разнообразных схем ВЧ генераторов с внешним возбуждением, являются частным случаем обобщенной структурной схемы (рис. 4.1,а), состоящей из трех, каскадно включенных, четырехполюсников (ЧП) - входной и выходной согласующих электрических цепей и электронного прибора - транзистора или лампы.

Рис. 4.1. Обобщенная схема ВЧ генератора с внешним возбуждением

Назначение электрических цепей состоит в согласовании входного и выходного сопротивлений электронного прибора соответственно с источником возбуждения и нагрузкой и в фильтрации высших гармоник сигнала.

Электронный прибор может быть представлен в виде генератора тока , имеющего внутреннюю проводимость  входного  и выходного , сопротивлений (рис. 4.1,б). Все эти элементы являются нелинейными и частотно-зависимыми.

Конечная цель анализа работы ВЧ генератора (см. рис. 4.1,а) при подаче на его вход одночастотного сигнала  состоит: в определении его энергетических параметров - выходной колебательной мощности ВЧ сигнала, поступающего в нагрузку, ; мощности потребления по постоянному току от источника питания ; коэффициента полезного действия (КПД) , коэффициента усиления по мощности , где - мощность входного источника сигнала;

определение условий оптимального режима работы ВЧ генератора согласно определенному критерию. Такими критериями могут являться: максимум колебательной мощности в нагрузке  максимальный КПД , максимальный коэффициент усиления по мощности , минимум искажений, вносимых усилителем в сигнал, максимальная ширина полосы пропускания;

расчете и построении различных характеристик генератора: динамической, нагрузочной, амплитудной, фазоамплитудной, амплитудно-частотной, фазочастотной в одночастотном режиме работы. Определение данных характеристик дается ниже.

Дополнительный анализ работы ВЧ генератора может проводиться при усилении модулированных и сложных ВЧ сигналов, например многочастотных.

Перечисленные параметры и характеристики ВЧ генератора можно найти с помощью метода гармонической линеаризации (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Принцип метода гармонической линеаризации

Электронный прибор и ВЧ генератор в целом являются нелинейными устройствами. В частности, при подаче на вход такого прибора синусоидального напряжения (рис. 4.2,а) сигнал на его выходе искажается (рис. 4.2,б).

Согласно разложению функции в ряд Фурье (4.5) сигнал, приведенный на рис. 4.2,б, можно представить в виде суммы постоянной составляющей и нескольких гармоник (рис. 4.2,в). Из этой «смеси» с помощью фильтра можно выделить только 1-ю гармонику сигнала. Именно такую функцию и выполняет выходная согласующая цепь в схеме ВЧ генератора (см. рис. 4.1,а). Поэтому напряжение на нагрузке генератора снова приобретает синусоидальную форму (рис. 4.2,г).

Именно в фильтрации несинусоидального сигнала, выделении из него 1-й гармоники сигнала и преобразовании его вновь в синусоидальный сигнал и состоит метод гармонической линеаризации, лежащий в основе анализа ВЧ генератора. Сам анализ включает в себя:

- определение с помощью ВАХ электронного прибора формы тока на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала;

- разложение в ряд Фурье согласно (4.5) полученной несинусоидальной зависимости для тока  эквивалентного генератора электронного прибора (см. рис. 4.1,б);

-определение напряжения на выходе электронного прибора; определение выходной мощности 1-й гармоники  поступающей в нагрузку;

- определение потребляемой мощности  от источника постоянного тока и КПД генератора;

- анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного сигнала , и коэффициента усиления генератора по мощности ,

- выбор схемы и расчет выходной и входной согласующих электрических цепей ВЧ генератора (см. рис. 4.1,а).

 

4.2. Баланс мощностей в ВЧ генераторе

Поскольку в ВЧ генераторе происходят процессы преобразования энергии разных источников, то важно составить баланс мощностей для выходной и входной цепей всего устройства.

В выходной цепи происходит преобразование энергии источника постоянного тока мощностью  в энергию высокочастотных колебаний мощностью . Поэтому для нее баланс мощностей имеет вид

,                                                    (5.1)

где - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на аноде, в биполярном транзисторе - на коллекторе, в полевом - на стоке).

Мощность рассеивания можно определить как разность  или с помощью определенного интеграла:

,                                             (5.2)

где , - ток и напряжение на выходе электронного прибора.

Во входной цепи первичным источником является высокочастотный генератор с ЭДС  (см. рис. 4.1,а), отдающий ВЧ генератору мощность . Поэтому во входной цепи баланс мощностей имеет вид

где  - мощность, передаваемая источнику постоянного тока во входной цепи, если таковой имеется;  - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на управляющей сетке, в биполярном транзисторе - в базе, в полевом - на затворе).

Суммарная мощность тепла, рассеиваемая в электронном приборе, согласно (4.1) и (4.3) запишется в виде

Значение  не должно превышать максимально допустимую мощность рассеивания электронного прибора, указываемую в его паспорте.

4.3. Динамические характеристики ВЧ генератора и максимально отдаваемая им мощность

Любой генератор отдает максимальную мощность в нагрузку при выполнении определенного условия. Из курса электротехники известно, что генератор с ЭДС  и внутренним сопротивлением ; при  и  отдает в нагрузку максимальную мощность, равную , при  (рис. 4.3).

Мощность  называется номинальной мощностью генератора.

Рис. 4.3. Определение номинальной мощности генератора.

В ВЧ генераторах оба параметра ( и ), зависящие от многих факторов, не являются постоянными величинами, и поэтому здесь условие получения максимальной мощности, передаваемой генератором в нагрузку, усложняется и вытекает из понятия «динамическая характеристика генератора по 1-й гармонике сигнала».

Пусть в результате эксперимента или расчета найдены зависимости для функций напряжения  и тока , на выходе электронного прибора. Пример графиков таких функций приведен на рис. 4.4,а,б. Из двух данных зависимостей, исключив время t, можно получить третью , называемую динамической характеристикой ВЧ генератора для мгновенных значений тока и напряжения (рис. 4.4,в).

Рис. 4.4. Динамическая характеристика ВЧ генератора для мгновенных значений тока и напряжения

Разложив в ряд Фурье семейство функций  и , определим первые гармоники тока  и напряжения .

Зависимость  называется динамической характеристикой по 1-й гармонике сигнала. Пример такой характеристики приведен на рис. 4.5,г. С ее помощью определим условия передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. Функция  является нелинейной, зависящей от частоты и мощности входного сигнала и напряжения питания. Зафиксируем данные параметры и запишем для мощности, передаваемой генератором в нагрузку:

,                                      (4.4)

где  - динамическая характеристика ВЧ генератора по 1-й гармонике сигнала (см. рис. 4.5, г);  - фазовый угол между векторами  и .

Найдем частную производную функции (4.4) и приравняем ее к нулю для определения экстремума функции:

,                      (4.5)

Из (4.5) при  получим

.                                                   (4.6)

На графике функции  (см. рис. 4.5,г ) условию (4.6) передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку соответствует точка А, режиму короткого замыкания - точка В, холостого хода - точка С. Раскроем физическое содержание выражения (4.6). Под отношением

следует понимать модуль внутренней дифференциальной проводимости по 1-й гармонике сигнала эквивалентного генератора. Ее равенство проводимости нагрузки и есть условие передачи максимальной мощности (4.6), которое можно представить в виде

,

где  - проводимость нагрузки, подключенной к выходу электронного прибора, на частоте 1-й гармоники сигнала.

Точку А на динамической характеристике (см. рис. 4.4,г) можно найти графическим путем как точку пересечения двух графиков согласно (4.6). Для этого необходимо в n-точках динамической характеристики определить значения ее координат  и  и производную  как тангенс угла касательной в этой точке. Далее согласно (4.6) построим два графика:

.

Точка пересечения данных графиков определяет условия получения максимальной мощности  отдаваемой ВЧ генератором в нагрузку. Чтобы убедиться в этом, следует построить график зависимости .

Пример таких построений приведен на рис. 4.5. На рисунке показаны зависимости  (см. рис. 4.5,а),  и  (см. рис. 4.5,б),  (см. рис. 4.5,в).

Рис. 4.5. К условию получения максимальной мощности,

отдаваемой генератором по 1-й гармонике сигнала

5.4. Нагрузочные, амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора

Помимо динамической характеристики работа ВЧ генератора определяется еще тремя видами характеристик: нагрузочной, амплитудной и частотной.

Нагрузочные характеристики ВЧ генератора есть зависимости его выходных электрических параметров: колебательной мощности  потребляемой  и мощности рассеивания в электронном приборе  амплитуд первых гармоник тока  и напряжения  постоянной составляющей тока  и КПД  от сопротивления нагрузки генератора . С их помощью можно выбрать оптимальный режим работы генератора по различным критериям (например, получению максимального КПД) и определить влияние изменения нагрузки (например, влияние входного сопротивления антенны) на выходные параметры ВЧ гeнератора.

Примеры таких характеристик приведены на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Нагрузочные характеристики ВЧ генератора

Амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора. При подаче на вход ВЧ генератора синусоидального сигнала ,

сигнал на его выходе или нагрузке (см. рис. 4.1, а) имеет вид  , т.е. отличается от входного амплитудой сигнала и фазой.

Амплитудные характеристики есть зависимости амплитуды и фазы выходного сигнала от амплитуды входного сигнала:

; .

Пример таких характеристик приведен на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Амплитудные  характеристики ВЧ генератора

С помощью амплитудных характеристик, определяемых в одночастотном режиме работы, можно, например, рассчитать выходной комбинационный спектр при многочастотном входном сигнале.

Частотные характеристики есть зависимости номинального коэффициента усиления по мощности ВЧ генератора  и фазы выходного сигнала от частоты входного сигнала:

; .

Данные характеристики определяют частотные свойства ВЧ генератора. Пример амплитудно-частотной характеристики приведен на рис. 4.8.

С помощью данной характеристики, построенной в одночастотном режиме работы, можно определить прохождение через усилитель широкополосных сигналов, а также использование ВЧ генератора в диапазонных радиопередатчиках без перестройки электрических согласующих цепей.

Рис. 4.8. Частотные характеристики ВЧ генератора

4.5. Согласование электронного прибора с источником возбуждения и нагрузкой и номинальный коэффициент усиления по мощности ВЧ генератора

Номинальный коэффициент передачи или усиления по мощности ЧП. Структурная схема ВЧ усилителя состоит из трех каскадно соединенных ЧП (см. рис. 4.1, а). Рассмотрим, как передается мощность сигнала через один отдельно взятый ЧП (рис. 4.9, а).

Параметром, количественно оценивающим данный процесс, является номинальный коэффициент передачи или усиления ЧП по мощности, равный отношению активной мощности, переданной в нагрузку  к номинальной мощности высокочастотного источника возбуждения:

Здесь                                                                         (5.7)

номинальная мощность источника возбуждения с амплитудой  

и внутренним комплексным сопротивлением , где  - действительная, активная часть этого сопротивления.

Рис. 4.9. Передача  мощности сигнала через один отдельно взятый ЧП

В активном четырехполюснике, т.е. содержащем электронный прибор усилительного типа, можно получить значение . В реактивном ЧП, т.е. содержащем только реактивные элементы - конденсаторы и индуктивности - значение , поскольку такой ЧП не может усиливать сигнал по мощности. При реактивном ЧП в случае  имеет место оптимальное согласование источника возбуждения с нагрузкой, при котором номинальная мощность полностью, без потерь поступает в нагрузку.

В случае прямого присоединения нагрузки к генератору (рис. 4.10) для коэффициента передачи мощности с учетом (4.7) получим

.

Пример. При  и  согласно (4.8) получим .

Максимальное значение  в схеме на рис. 4.10 имеет место при выполнении условия

,                                                     (4.9)

т.е. когда сопротивления являются комплексно сопряженными (их действительные части равны, а реактивные части равны по модулю и противоположны по знаку).

При расчете коэффициента  в схеме с реактивным ЧП (см. рис. 4.9,а) можно воспользоваться эквивалентной схемой, приведенной на рис. 4.9,б, где  - входное сопротивление ЧП, нагруженного на сопротивление . Значение  в схеме на рис. 4.9,б рассчитывается по формуле (4.8) путем замены  на .

Номинальный коэффициент усиления по мощности ВЧ генератора. В ВЧ генераторе (см. рис. 4.1,а) два ЧП (входная и выходная согласующие цепи) являются реактивными, а средний (с электронным прибором) - активным. Для всего соединения в целом – трех каскадно включенных ЧП - номинальный коэффициент усиления генератора можно представить в виде произведения трех множителей:

                            (4.10)

где  - коэффициент передачи по мощности входной согласующей цепи;  - собственный коэффициент усиления электронного прибора (лампы или транзистора);  - коэффициент передачи по мощности выходной согласующей цепи.

Согласно (4.10) для получения максимально возможного коэффициента усиления ВЧ генератора с внешним возбуждением недостаточно иметь высокое значение данного параметра у самого электронного прибора: необходимо также оптимально согласовать входное сопротивление этого прибора с внутренним сопротивлением источника возбуждения, а выходное - с сопротивлением нагрузки.

Для решения данной задачи необходимо знать входное  и выходное  сопротивления электронного прибора (см. рис. 4.1,б) и произвести их оптимальное согласование соответственно с внутренним сопротивлением источника возбуждения  и нагрузкой , т.е. выполнить условие (4.9).

Рис. 4.10 .

При этом схему ВЧ генератора (см. рис. 4.1,а) можно представить в виде двух частей: для входной и выходной цепей (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Входная и выходная части согласующей цепи

Согласно обозначениям, приведенным на рис. 4.11, условиями оптимального согласования для входной и выходной согласующих цепей является выполнение соответственно следующих равенств:

; .                                        (4.11)

При выполнении условий (4.11) значения коэффициентов передачи входной и выходной согласующих цепей  и  и коэффициент усиления ВЧ генератора (4.10) принимает максимальное значение , определяемое только электронным прибором.

Контрольные вопросы

1. Составьте обобщенную структурную схему генератора с внешним возбуждением.

2. Перечислите основные этапы анализа работы генератора с внешним возбуждением.

3. В чем заключается метод гармонической линеаризации?

4. Составьте уравнение баланса мощностей в генераторе.

5. Нарисуйте динамические характеристики генератора.

6. Нарисуйте нагрузочные характеристики генератора.

7. Нарисуйте амплитудно-частотные характеристики генератора.

8. Нарисуйте фазочастотные характеристики генератора.

9. Что такое номинальная мощность генератора?

10. Что такое номинальный коэффициент передачи по мощности сигнала?

11. Напишите условия оптимального согласования генератора с нагрузкой.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22838. Процеси в електричному колі змінного струму 123.5 KB
  Фаза струму через індуктивність менша на від фази прикладеної напруги а фаза струму через ємність випереджає фазу прикладеної напруги на . Розрахунок кіл змінного струму базується на законах Кірхгофа для кіл змінного струму. Довільна ділянка кола змінного струму може бути представлена комбінацією активного опору індуктивності та ємності.
22839. Спад напруги на реактивних опорах 57.5 KB
  Амплітуда спаду напруги на реактивному опорі визначається частотою коливань  а також величинами опорів C та R чи L. Якщо позначити амплітуду напруги що подається на вхід схеми мал.15 то спад напруги на ємності Амплітудне значення спаду напруги індуктивності де активний опір котушок індуктивності.
22840. ВИМІРЮВАННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ 271 KB
  Якщо капіляр занурити в рідину рідина підніметься або опуститься в капілярі на деяку висоту над рівнем рідини в посудині. Це явище пояснюється тим що тиск під поверхнею рідини залежить від форми поверхні. В капілярних трубках внаслідок взаємодії молекул рідини з молекулами речовини капіляра поверхня рідини викривлюється.
22841. ВИВЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ 912 KB
  У даній роботі досліджується температурна залежність коефіцієнта поверхневого натягу водного розчину спирту від температури за методом Ребіндера. Будують графік залежності коефіцієнта поверхневого натягу води від температури. Потрібні температури в системі досягаються і підтримуються за допомогою термостата опис якого подано нижче.
22842. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ВНУТРІШНЬОГО ТЕРТЯ РІДИНИ МЕТОДОМ СТОКСА 226.5 KB
  В даній роботі коефіцієнт внутрішнього тертя рідини визначається виходячи з даних про швидкість рівномірного падіння кульки в рідині. При падінні кульки в рідині на кульку діє сила тяжіння архімедова сила і сила опору середовища . Внаслідок змочування поверхні кульки рідиною найближчий до кульки шар рідини має швидкість кульки наслідком чого є виникнення градієнта швидкості. Формула Стокса виражає силу опору середовища кульці що рухається в цьому середовищі: 2 де радіус...
22843. Визначення коефіцієнта внутрішнього тертя рідини капілярним віскозиметром 104 KB
  Якщо шари рідини або газу рухаються один відносно одного між ними діють сили внутрішнього тертя. Коефіцієнт внутрішнього тертя рідини або газу можна визначити за формулою Пуазейля 2 яка виражає величину об`єму рідини або газу що протікає за час через капіляр радіуса та довжини за умови що потік ламінарний. Справді якщо взяти дві рідини відповідні величини для однієї з них позначимо індексами ‘0 а другої 1 і визначити час і витікання однакових об`ємів цих рідин...
22844. Визначення коефіцієнта в’язкості газу 1.32 MB
  При ламінарній течії газу по капілярній трубці різні шари газу набувають різної швидкості направленого руху. Розглянемо більш детально течію вязкого газу по трубці радіуса . Припустимо що потік ламінарний що газ при невеликих тисках нестисливий що течія всановилась і що газ повністю змочує стінки трубки тобто швидкість газу біля стінок трубки дорівнює нулеві.
22845. Визначення вологості повітря 1.2 MB
  Атмосферне повітря має в своєму складі деяку кількість водяної пари що обумовлює вологість повітря. Абсолютною вологістю називається кількість водяної пари що знаходиться в одиниці об'єму повітря. З рівняння стану ідеального газу густину повітря при нормальних умовах можна представити так: пов= 1 позначення загально прийняті.
22846. Визначення коефіцієнта об’ємного розширення рідини 545 KB
  Залежність обєму рідини від температури виражається рівнянням: а при невеликій точності можна обмежитися виразом: де обєм рідини при температурі 0C температурний коефіцієнт обємного розширення рідини. Прямим способом вимірювати обєм рідини при різних температурах для визначення важко бо при цьому змінюється і обєм посудини в якій знаходиться рідина. Французькі вчені Дюлонг і Пті запропонували спосіб визначення коефіцієнта обємного розширення рідини при якому відпадає необхідність вимірювання обєму рідини.