2.5. Стабилизация частоты автогенератора

Стабильность частоты является одним из важнейших электрических показателей радиопередатчика. Ею в значительной степени определяется надежность работы радиолиний. Требования к стабильности частоты современных радиопередатчиков очень высоки - порядка 10-6 - 10-7 , а для однополосной связи и синхронного радиовещания - порядка 10-9 . Как указывалось выше, стабильность частоты передатчика определяется главным образом задающим генератором.

2.5.1. Основные причины изменения частоты автогенератора

Частота колебаний автогенератора определяется уравнением баланса фаз (2.4). Поскольку фазовые углы j s и j к в весьма слабой степени зависят от частоты , можно принять их независимыми от частоты и объединить в один угол j кs . Тогда уравнение баланса фаз упростится и примет вид:

j э(w) + j кs = 0

Для анализа влияния различных факторов на стабильность частоты это уравнение удобно представить графически (рис.2.9). Частота автоколебаний определяется абсциссой точки пересечения фазовой характеристики контура jэ(w) c прямой линией j кs.

Влияние добротности контура.

При уменьшении добротности контура его фазовая характеристика становится более пологой, поэтому при изменении углов jкs изменение частоты автоколебаний тем больше, чем меньше добротность контура Q (рис.2.9а). Можно показать, что фиксирующая способность контура s =w0@ 2Q.

Влияние эталонности контура.

Под эталонностью контура понимается его способность сохранять постоянной собственную частоту при изменении тех или иных внешних условий. Влияние недостаточной эталонности контура при неизменной величине углов jкs иллюстрирует рис.2.9б.

Рис. 2.9

Эталонность контура зависит не только от качества его деталей (конденсаторов и катушек индуктивности), но и от степени постоянства тех междуэлектродных и монтажных емкостей, которые добавляются к контуру, эти емкости обозначают DСа0. Эталонность контура характеризуют формулой:

, (2.11)

где w0 - рабочая частота автогенератора, Rэ - эквивалентное сопротивление нагрузки лампы, Q - добротность контура. Из этой формулы следует, что эталонность. контура тем выше, чем выше его добротность и чем ниже частота автоколебаний, поэтому для повышения стабильности частоты целесообразно понизить рабочую частоту автогенератора и затем использовать умножение частоты. Чем выше добротность контура, тем при меньшей его связи с лампой обеспечивается необходимая величина сопротивления Rэ и поэтому в меньшей степени влияют на собственную частоту контура все подключаемые к нему малостабильные емкости DСа0 .

Влияние абсолютной величины углов j кs .

Поскольку фазовая характеристика контура линейна только при частотах, близких к его собственной резонансной частоте, то, как видно из рис.2.9в, следует стремиться к тому, чтобы углы jкs были как можно меньше, а частота автоколебаний - как можно ближе к собственной частоте колебательного контура.

2.5.2. Дестабилизирующие факторы и методы борьбы с ними

В первом приближении основные дестабилизирующие факторы могут быть разделены на два класса - внешние и внутренние.

К первому классу относятся изменения температуры и влажности воздуха, атмосферного давления и т.п. Всё это влияет не собственную частоту контура и на его добротность, то есть на фазовую характеристику контура jэ(w). Для предотвращения этого влияния используют высокостабильные элементы контур (вакуумные конденсаторы, конденсаторы, в которых использованы два диэлектрика с противоположными знаками ТКЕ, катушки индуктивности, выполненные вжиганием в радио- или ультрафарфор и т.д. и т.п.), термостатирование, герметизацию, амортизацию и т.п.

Ко второму классу относятся нестабильность источников питания генераторной лампы и непостоянство её нагрузки. И то, и другое приводят к изменению электронного режима лампы и поэтому влияет на величину фазовых углов jкs.

Для уменьшения изменения напряжений источников питания применяют стабилизированные источники питания, а также питание анодной цепи задающего генератора от автономного источника. Кроме того, в автогенераторе используется режим работы без сеточных токов. Помогает также использование в автогенераторе автоматического смещения, которое стабилизирует режим.

Для уменьшения влияния изменений сопротивления нагрузки уменьшают связь контура с нагрузкой, а также применяют специальные схемы , мало чувствительные к изменениям сопротивления нагрузки - сложные трёхточечные схемы, схему Шембеля и др. Кроме того, после автогенератора следует использовать каскад, работающий в буферном режиме.

2.5.3. Схема Шембеля

Нагрузкой контура задающего генератора в передатчике может быть либо антенна, либо цепь управляющей сетки следующей ступени. В обоих случаях параметры нагрузки нестабильны и реакция нагрузки на контур задающего генератора изменяется, в результате частота автоколебаний нестабильна. 0дин из способов устранения влияния нагрузки на стабильность частоты автоколебаний состоит в том, что после задающего генератора ставится буферный каскад, работающий без тока управляющей сетки. Однако, в буферном режиме генераторные лампы отдают небольшую полезную мощность, из-за этого увеличивается число каскадов усиления, что нежелательно. Схему автогенератора на одной лампе, которая обеспечивает удовлетворительную стабильность частоты при работе на нагрузку с нестабильными параметрами, была предложена Б. К. Шембелем в 1933 г. (и одновременно в США - Д.Б.Доу). Схема Шембеля (рис.2.10) содержит лампу и два колебательных контура, I и II, включенных последовательно в ее анодную цепь. Контур II, связанный с нагрузкой, называют внешним, контур I - внутренним, он обеспечивает самовозбуждение автогенератора. Оба контура питаются анодным током лампы. Амплитуда напряжения на аноде распределяется между контурами в соответствии с величинами их резонансных сопротивлений. Пропорционально амплитудам напряжений на контурах распределяется и мощность, развиваемая лампой в анодной цепи. Мощность во внутреннем контуре теряется бесполезно, а выделение тепла во внутреннем контуре является вредным, поскольку это приводит к постепенному изменению параметров контура и, следовательно, к изменению частоты автоколебаний. В связи с этим из энергетических соображений, а также из соображений

Рис.2.10

стабильности частоты, желательно, чтобы мощность, выделяемая во внутреннем контуре, была мала по сравнению с мощностью, выделяемой во внешнем контуре. С этой целью резонансные сопротивления контуров выбирают так, чтобы значительная доля анодного напряжения приходилась на внешний контур и только небольшая его часть - на внутренний (обычно Rэ2 = (6-7)Rэ1). Благоприятным является также и то обстоятельство, что при малом резонансном сопротивлении внутреннего контура нестабильность межэлектродных ёмкостей лампы будет меньше сказываться на частоте автоколебаний. Однако, частота автоколебаний генератора, построенного по схеме рис.2.10, зависит не только от параметров внутреннего контура, но и от параметров внешнего контура. Во-первых, внешний контур связан с внутренним ёмкостями анод-сетка и анод-катод лампы (они показаны пунктиром на рис.2.10.), а также паразитными ёмкостями монтажа между проводниками, подходящими к аноду и сетке, на корпус вне лампы (рис.2.11.) Во-вторых, между контурами существует и гальваническая связь через внутреннее сопротивление лампы (рис.2.11). Согласно эквивалентной схеме рис.2.12 анодный ток равен:

,

где Rэ= RэI + RэII . При >> (RэI + RэII) влияние изменения эквивалентного сопротивления внешнего контура невелико, поскольку анодный ток зависит только от внутреннего сопротивления лампы и напряжения Ugm, которое определяется обратной связью - связью сеточной цепи с внутренним контуром.

Рис.2.11

Изменение частоты автоколебаний возможно также при изменении переменного напряжения на аноде, так как при этом меняется управляющее напряжение Uупр= Ug - DUк,, это приводит к изменению электронного режима лампы, что в свою очередь вызывает уход частоты генератора. Реакция анодного напряжения особенно сильна при работе лампы в перенапряжённом режиме. Для ослабления влияния изменения напряжения на аноде на работу схемы необходимо, чтобы лампа обладала малой проницаемостью и большим внутренним сопротивлением. Для устранения паразитной ёмкостной связи между контурами необходимо их разделить электростатическим экраном. Роль электростатического экрана внутри лампы может выполнить достаточно густая экранная сетка, расположенная между анодом и управляющей сеткой. Обычно в схеме Шембеля используют тетроды и пентоды, внутреннее сопротивление которых очень велико.

Реакция анодного напряжения на ток управляющей сетки у тетродов выражена слабо. Слабо она сказывается и на токе эмиссии, поскольку у тетродов мала результирующая проницаемость D = D1D2, однако в перенапряжённом режиме реакция всё же имеет место.

Рис.2.12

Таким образом, изменение режима внутренней части схемы, а следовательно и частоты автоколебаний, от изменения параметров внешнего контура через реакцию анодного напряжения возможно лишь в небольшой степени. В схеме Шембеля на пентоде защитная сетка, так же как и экранная, должна по высокой частоте соединяться с экраном.

Рис. 2.13

На рис.2.13 представлена схема Шембеля на тетроде. Внутренний контур построен по схеме индуктивной трёхточки. Ток накала подводится через часть витков катушки L1 внутреннего контура и блокировочный дроссель. Экранная сетка соединена с землей по высокой частоте ёмкостью. Напряжение на экранную сетку подаётся от источника анодного питания через потенциометр.

Особенность режима генератора, построенного по схеме Шембеля, заключается в наличии переменного напряжения между экранирующей сеткой и катодом, находящегося в фазе с переменным напряжением на аноде, и в протекании через внутренний контур I не только первой гармоники анодного тока Ia1, но и первой гармоники тока экранной сетки Ig21. При настроенных контурах переменные напряжения на электродах тетрода относительно катода определяются следующими формулами.

Переменное напряжение между анодом и катодом равно:

Uaк= Ia1(RэI + RэII) + Ig21RэI

Переменное напряжение на внутреннем контуре:

UI= (Ia1+ Ig21)RэI

Переменное напряжение на анодном контуре:

UII= Ia1RэII

Мощность в нагрузочном (внешнем) контуре (полезная мощность) равна:

Р~н= 0,5 RэII

Мощность во внутреннем контуре - бесполезна, она равна:

Р~I= 0,5 (Ia1+ Ig21)2 RэI

Колебательная мощность, развиваемая лампой :

Р~л= 0,5(RэI + RэII) = 0,5RэII(1+)

Эта мощность распределяется между контурами пропорционально их эквивалентным сопротивлениям.

Потери на аноде и на экранной сетке вычисляют по формулам:

Ра= Еа Ia0 - Р~л = Еа Ia0 - 0,5(RэI + RэII).

и

Pg2= Еg2 Ig20 - 0,5RэI

Схема Шембеля может успешно работать и в режиме умножения частоты. В этом случае второй контур настраивается на вторую или третью гармонику анодного тока.

Устройства генерирования и формирования радиосигналов


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.