. Мостовые схемы сложения мощности

По сравнению с УМ на одиночных АЭ параллельное и двухтактное включение АЭ имеет ряд недостатков, вызванных взаимной связью АЭ через сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление источника возбуждения. Отметим важнейшие их них.

1. Отказ даже одного АЭ, помимо уменьшения мощности УМ, может привести к перегрузке и отказу оставшихся АЭ, если запас по предельно допустимым параметрам мал. Пробой (короткое замыкание) во входной или выходной цепях одного АЭ выведет из строя весь усилитель, несмотря на исправность остальных АЭ.

2. Неравномерность распределения токов АЭ из-за разброса параметров усугубляется связью через общую нагрузку. При некотором сочетании параметров отдельные АЭ переходят из режима генерации мощности в режим потребления.

3. Возникновение паразитных колебаний более вероятно в усилителях с параллельным и двухтактным включением АЭ из-за усложнения схемы и увеличения числа паразитных реактивностей.

У странить перечисленные недостатки можно, ослабив взаимную связь между АЭ. Для этого в настоящее время широко применяются усилители, построенные по мостовой схеме.

В номинальном режиме мостового усилителя АЭ имеют идентичные параметры и работают в одинаковых режимах. Поэтому в номинальном режиме мост-делитель (МД) распределяет мощности поровну между АЭ, а мост-сумматор (МС) складывает одинаковые мощности АЭ в общей нагрузке. Кроме того, в этом режиме деление и сложение мощностей мостами происходит без потерь (предполагается, что реактивные элементы мостов идеальны). В номинальном режиме основное свойство мостов – взаимная независимость (развязка) АЭ – никак не проявляется. При отклонении от номинального режима развязка сохраняется. При этом МД поддерживает постоянным напряжение возбуждения, а МС – сопротивление нагрузки.

П ринцип работы мостового устройства может быть пояснен на примере схемы, изображенной на рис.1. Легко заметить, что токи двух синфазных источников складываются в сопротивлениях R₂, R₄ и вычитаются в сопротивлениях R₁, R₃. При выполнении ус­ловия R_l = R₂ = R₃ = R₄ напряжение, создаваемое одним источ­ником в точках подключения другого источника, равно нулю. В ре­зультате каждый источник работает на постоянное сопротивление, не зависящее от режима другого источника.

Если U' = U", то через сопротивления R₁ и R₃ токи не протека­ют, а вся мощность выделяется на сопротивлениях R₂, R₄, которые являются нагрузочными. Если U' ≠ U", то часть мощностей обоих источников рассеивается в сопротивлениях R₁, R₃ , называемых бал­ластными, из-за протекания по ним разностных токов.

Важным свойством мостовых устройств является сохранение вы­сокого коэффициента передачи мощности (Р_н и Р_б – мощность, рассеиваемая соот­ветственно в нагрузочных и в балластных сопротивлениях) при изменении соотноше­ний амплитуд и фаз обоих источников. На­пример, при уменьшении отношения U"/U' от 1 до 0,5 или увеличении фазового сдви­га между колебаниями от 0 до 40º уменьшается лишь на 10%.

При практическом использовании схемы суммирования мощностей рис. 1 нужно учесть, что обычно имеется один нагрузоч­ный элемент (а не два, как на рис. 1. Кроме того, желательно, чтобы оба источ­ника и нагрузка имели общую точку (ну­левой потенциал). Реальные мостовые уст­ройства выполняются на трансформаторах, LC-элементах или линиях с распределенными параметрами.

На рисунке ниже изображена схема синфазного мостового устройства на основе трансформаторов-линий.

Мостовое устройство на трансформаторах-линиях Синфазное мостовое устройство на LC-линиях

20-2. Широкополосные усилители мощности (ГВВ)

При передаче сигналов с широким спектром необходимо применять широкополосные усилители (ШПУ). Однако и при узкополосных сигналах ШПУ дают ряд преимуществ. Функции широкополосных цепей связи выполняют трансформаторы на ферритовых сердечниках, а также устройства типа фильтров нижних частот или полосовых фильтров на сосредоточенных элементах LС либо на распределенных структурах (например, отрезках полосковых линий).

Усилители с полосой менее октавы.

В диапазонах метровых и дециметровых волн требуются, главным образом, усилители о полосой не более октавы. ЦС таких усилителей выполняют как на сосредоточенных, так и на распределенных элементах. Ограничимся рассмотрением ШПУ на транзисторах по схеме с ОЭ, использующих простейшие LС-цепи связи. При построении входной ЦС необходимо учитывать характер входного сопротивления транзистора. В качестве простейшей входной ЦС, корректирующей частотную зависимость коэффициента усиления по току, можно применить последовательный или параллельный одиночный колебательный контур (рис. 1). Входное сопротивление ЦС (рис. 1а) на равно r_вх, т. е. цепь не обладает трансформирующими свойствами. Это является ее недостатком. Так как стандартное сопротивление большинства СВЧ трактов равно 50 Ом, эту ЦС без дополнительного трансформатора можно рекомендовать для маломощных транзисторов, имеющих r_вх ≈ 50 Ом. Корректирующая ЦС на рис. 1б создает меньшую неравномерность АЧХ усилителя и способна трансформировать входное сопротивление транзистора.

З адача увеличения площади усиления решается в усилителях с распределенным усилением (УРУ). Они применяются в качестве широкополосных промежуточных и выходных каскадов передатчиков коротковолновых, ультракоротковолновых и дециметровых диапазонов. Мощность ламповых УРУ достигает единиц киловатт в непрерывном режиме и сотен киловатт в имиульсном.

В простейшем случае УРУ состоит из двух искусственных однородиых линий, содержащих до 10...15 звеньев типа фильтров нижних частот (ФНЧ) или полосовых фильтров (ПФ), и такого же числа АЭ. При большом числе АЭ увеличивается склонность усилителя к самовозбуждению, растет затухание в линиях, усложняется регулировка.

У силители с раздельными полосами. Принцип их работы стоит в разделении полной полосы частот усилителя на несколько смежных частных полос, каждая шириной менее октавы, с помощью специального частотно-разделительного устройства, называемого мультиплексором (МП) и содержащего набор фильтров, Смежные полосы имеют небольшое перекрытие. Усиление сигнала в каждой частной полосе осуществляется с помощью сравнительно простого и относительно узкополосного усилителя. Затем выходы усилителей частных полос объединяются частотно-суммирующим устройством.

При таком построении усилителя фильтрация высших гармоник возможна без коммутации фильтров. Кроме того, упрощается формирование плоской АЧХ усилителя за счет возможности раздельной корректировки АЧХ в каждой частной полосе.

Усилители на трансформаторах с ферритом. В диапазонах 30....300 кГц и 0,3...3 МГц можно получить высокие КПД (до 70%) и линейную амплитудную характеристику (АХ), применяя простые трансформаторные схемы с глубокими отрицательными обратными связями. Схемы с ОБ (рис. 2) и с ОК (рис. 3) имеют 100%-ные обратные связи соответственно по току и по напряжению. В схеме с ОЭ (рис. 4) отрицательная обратная связь вводится с помощью трансформаторов Тр₃, ее глубина определяется коэффициентом трансформации.

Рисунок 2 Рисунок 3 Рисунок 4