1.12.1. Сложение мощностей системы блоков в общем контуре

1.12.2. Мостовое сложение мощностей

1.12.3. Сложение мощностей в пространстве

В тех случаях, когда одна генераторная лампа не обеспечивает требуемую мощность, используют несколько ламп, работающих на общую нагрузку (см.1.10). Однако, из-за разброса параметров ламп и трудности обеспечения идентичности их возбуждения, мощность на выходе передатчика возрастает непропорционально числу ламп. Кроме того, при увеличении числа ламп ухудшается надежность работы передатчика, поскольку затрудняется борьба с паразитным самовозбуждением, увеличивается вероятность возникновения неисправностей и др. В связи с этим для получения больших мощностей используют три основных метода:

• сложение мощностей системы блоков в общем контуре;
• мостовое сложение мощностей;
• сложение мощностей в пространстве (в "эфире").

1.12.1. Сложение мощностей системы блоков в общем контуре

При таком способе сложения мощностей каждый блок содержит небольшое число генераторных ламп и отдельный анодный контур. Анодные контуры всех блоков связаны с общим промежуточным контуром, или антенной. Возможны различные варианты построения системы в целом, отличающиеся как схемой включения элементов связи общего контура с контурами отдельных блоков, так и схемами колебательных систем блоков и общего контура. В качестве примера на рис.1.31 изображена схема с последовательным включением катушек связи общего контура с блоками. Изменяя связь контура блока с общим контуром можно регулировать нагрузку блока. Ослабив связь блока до нуля и отключив его источники питания, можно заменить в нем неисправную лампу, или произвести иной ремонт во время работы остальных блоков.

Рис.1.31

Наличие связи между блоками через общий нагрузочный контур осложняет работу системы. Так, при выходе из строя лампы одного из блоков в его анодном контуре, связанном с нагрузочным контуром, развивается очень большой ток и соответствующее напряжение, что может привести к выходу из строя элементов схемы блока. Для защиты аппаратуры блока в каждом контуре предусмотрено его автоматическое замыкание.

Высокочастотное сеточное возбуждение блоков должно быть синфазным, в противном случае блоки будут работать как бы на расстроенную нагрузку. Изменение настройки контура одного блока в некоторой степени отражается на настройке остальных блоков. Все это усугубляется с повышением частоты, поэтому на коротких волнах сложение мощностей системы блоков получило ограниченное применение.

1.12.2. Мостовое сложение мощностей

Мостовое сложение мощностей обеспечивает независимую работу генераторных блоков. Простейшая мостовая схема сложения показана на рис. 1.32. Плечи моста образованы двумя одинаковыми реактивностями Х₁=Х₂, например, емкостями С₁ и С₂, и двумя одинаковыми активными сопротивлениями r_н = r_б. Сопротивление r_н является полезным, это - сопротивление нагрузки (входное сопротивление антенного фидера), а сопротивление r_б является балластным. Высокочастотные генераторные блоки Г₁ и Г₂ включены в диагонали моста. Как известно, при балансе моста между его диагоналями нет связи, поэтому режим работы одного генератора не зависит от того, что происходит с другим: включен ли он, замкнут ли накоротко и проч.

Рис.1.32

Из рис.1.32 видно, что при работе обоих генераторов их токи протекают через балластное сопротивление в противоположных направлениях, т.е. ток в балластном сопротивлении отсутствует. Направления токов в нагрузке одинаковы, поэтому мощности обоих генераторов в нагрузке складываются. При выходе из строя одного из генераторов режим работы другого не нарушается, а его мощность распределяется поровну между нагрузкой и балластным сопротивлением. Таким образом, при выходе из строя одного из генераторов выходная мощность уменьшается в четыре раза: вместо 2Р она становится равной Р/2. Чтобы избежать потери мощности в балластном сопротивлении при выходе из строя одного из генераторов целесообразно переключить работающий блок с моста сложения непосредственно на нагрузку, при этом выходная мощность уменьшится в два, а не в четыре раза.

Рис.1.33

На практике применяются другие варианты мостовых схем, поскольку изображенная на рис 1.32 схема непригодна для практического применения: во-первых, выход одного из генераторов должен быть симметричным, а другого - несимметричным, во-вторых, входные сопротивления моста для обоих генераторов - комплексные, и др. Неидентичность условий работы блоков является является серьезным недостатком этой схемы.

На рис.1.33а изображена более совершенная Т-образная мостовая схема. В зависимости от характера сопротивлений элементов возможны различные варианты этой схемы. Один из них показан на рис.1.33б. Условиями баланса моста здесь являются: wL₁= = r_н и wL₂= r_б=2r_н , при этом генераторы работают независимо друг от друга и в одинаковых условиях, причем, для каждого из них мост представляет активное сопротивление. Т-образная мостовая схема, приведенная на рис.1.33в, выполнена на четвертьволновых отрезках коаксиальной линии; подобные схемы используют на УКВ, в частности, в телевизионных передатчиках изображения.

Мостовой метод сложения мощностей используют и для повышения надежности работы радиостанций, особенно дистанционно управляемых. Радиостанция состоит из двух передатчиков (рис.1.34), мощности которых складываются мостовым устройством (М) в общем антенном фидере. Оба передатчика возбуждают от одного возбудителя (В), синфазность возбуждения обеспечивают фазовращатели (ФВ). Благодаря мостовому устройству передатчики работают независимо друг от друга и отключение одного из них не влияет на работу другого. Для того, чтобы при аварии половина мощности работающего передатчика не терялась бесполезно в балластном сопротивлении коммутирующее устройство автоматически переключает этот передатчик непосредственно на антенный фидер.

Рис.1.34

1.12.3. Сложение мощностей в пространстве

На коротких волнах мощности передатчиков складывают в пространстве, при этом каждый передатчик работает на свою антенну (рис.1.35). В этом случае складываются электромагнитные поля. Для получения хорошей формы результирующей диаграммы направленности антенны должны быть расположены близко одна от другой. Однако, при этом передатчики влияют друг на друга через антенны.

Рис.1.35

Для ослабления связи между передатчиками (между их выходными каскадами) антенны располагают на расстоянии, равном l. Передатчики возбуждают от общего возбудителя. Для того, чтобы поля, создаваемые антеннами, складывались, между токами, питающими антенны, не должно быть сдвига по фазе, поэтому в схеме используют фазовращатели. Нарушение синфазности питания антенн приводит к повороту результирующей диаграммы направленности, Зависимость результирующей диаграммы направленности от фазовых соотношений между токами, питающими антенны, является недостатком этой системы сложения, поскольку для сохранения излучения в нужном направлении фазовые соотношения между питающими антенны токами приходится контролировать и автоматически поддерживать. Однако, с другой стороны, этот недостаток оказывается достоинством, так как изменяя сдвиг фаз между напряжениями возбуждения генераторов можно изменять в некоторых пределах направление излучения - не больше, чем на 10-20⁰ (форма диаграммы направленности при этом несколько меняется, обычно усиливаются боковые лепестки).

Принципы сложения мощностей в эфире нашли широкое применение в радиолокации в виде фазированных антенных решеток (ФАР). На сантиметровых волнах длина отдельных полуволновых вибраторов и расстояния между ними малы. Геометрические размеры генераторов на полупроводниковых приборах мощностью до 10Вт также невелики, это позволяет в небольшом объеме на малой площади разместить до 1000 отдельных ВЧ генераторов - модулей, каждый из которых через управляемый фазовращатель нагружен на индивидуальный симметричный вибратор. Их совокупность образует решетку синфазных излучателей в одной плоскости. Комбинируя количество таких модулей - вибраторов как в одном ряду, так и этажность конструкции, можно сформировать диаграмму направленности в любой плоскости. При этом излучаемая мощность повышается на 2-3 порядка при высокой надежности.