1.9.1. Умножители частоты

1.9.1.1. Ламповые и транзисторные умножители частоты

1.9.1.2. Варакторные умножители частоты

1.9.2. Понижение КПД генератора из-завысших гармоник

1.9.3. Повышение КПД генератора за счет высших гармоник

1.9.1. Умножители частоты

Умножители частоты в радиопередающих устройствах используются для расширения диапазона передатчика без расширения диапазона задающего генератора и для увеличения стабильности частоты. Последнее связано с тем, что на более низких частотах эталонные свойства колебательных систем выше (при одних и тех же добротности Q и R_э). Наиболее широко умножение частоты используется на коротких волнах, где понижение частоты задающего генератора особенно важно. Кроме указанного выше, применение умножителей частоты в многокаскадных передатчиках уменьшает паразитную связь между отдельными каскадами и, следовательно, повышает устойчивость работы передатчика. В передатчиках с угловой модуляцией умножители используются для увеличения индекса модуляции.

Основными параметрами умножителей являются кратность умножения n, рабочая частота, энергетические показатели (выходная мощность, КПД ) и др.

По типу используемых приборов умножители частоты могут быть разделены на два класса: умножители на нелинейных активных элементах (лампы, транзисторы), и умножители на пассивных нелинейных элементах (диоды, варикапы). При использовании резистивного нелинейного элемента (диод, лампа или транзистор) коэффициент преобразования, или КПД умножителя равен: h_n=Р_нn/ P_вх, где Р_нn - мощность n -ой гармоники в нагрузке, Р_вх - мощность на входе умножителя. Известно, что при использовании резистивного нелинейного элемента (диод, лампа, транзистор) h_n не превышает величину 1/n² , тогда как при использовании реактивного нелинейного элемента при не слишком больших значениях n он может быть близок к 1.

1.9.1.1. Ламповые и транзисторные умножители частоты

Ламповый (транзисторный) умножитель частоты представляет собой генератор с независимым возбуждением, анодный (коллекторный) контур которого настроен на n-ю гармонику частоты напряжения возбуждения. Работа этих умножителей частоты основана на использовании нелинейных свойств электронной лампы или транзистора. Основные отличия умножителя от усилителя заключаются в том, что, во-первых, анодный (коллекторный) контур возбуждается не первой, а n-й гармоникой анодного (коллекторного) тока, и, во-вторых, высокочастотное напряжение на аноде (коллекторе) меняется с частотой в n раз большей, чем частота высокочастотного напряжения возбуждения (n - коэффициент умножения). Режим работы умножителя должен обеспечить максимальное значение той гармоники анодного (коллекторного) тока, которая соответствует степени умножения частоты n. Поэтому угол отсечки q анодного (коллекторного) тока умножителя выбирается так, чтобы амплитуда требуемой гармоники имела максимальное значение. Из рис.1.3 видно, что при косинусоидальной форме импульсов анодного тока амплитуда второй гармоники имеет максимум при q = 60°, а третьей - при q =40⁰ (то есть q_оpt@120⁰/n) . Энергетические показатели умножителей частоты всегда намного хуже, чем усилителей. Действительно, мощность на выходе умножителя и его электронный КПД h_n равны:

P_~n=0,5a_ni_amaxx_nE_a,

,

где .

Здесь - максимальное значение импульса анодного тока лампы в выбранной рабочей точке; -эквивалентное сопротивление анодного контура на n-ой гармонике; a₀, a_n - коэффициенты разложения соответственно постоянной составляющей и n -ой гармоники косинусоидального импульса анодного тока; x_n - коэффициент использования по анодному напряжению лампы умножителя. Если электронная лампа используется по току при умножении частоты так же, как при усилении (т.е. i_amax не изменяется), то для того, чтобы коэффициент использования x_n умножителя был таким же, как x усилителя, эквивалентное сопротивление анодного контура умножителя должно быть больше, чем R_э усилителя в раз, что не всегда возможно осуществить, поскольку величина R_эn= , где r_n - характеристическое сопротивление анодного контура наn-ой гармонике, ограничивается выходной емкостью лампы. Однако, даже в тех случаях, когда удается увеличить в требуемое число раз, мощность на выходе умножителя оказывается все-таки меньше, чем у усилителя, приблизительно в раз и при более низком электронном КПД.

Из-за низких значений электронного КПД умножение частоты производится всегда в маломощных каскадах. Обычно умножители ставят либо после буферного каскада, следующего непосредственно за задающим генератором, либо сразу после задающего генератора. В последнем случае умножитель выполняет функции буферного каскада, то есть работает без сеточных токов.

В умножителях частоты импульс анодного тока, проходящий через лампу один раз за каждый период частоты напряжения возбуждения, возбуждает анодный контур только один раз за n периодов колебаний в нем. По этой причине добротность анодного контура должна быть достаточно высокой. Колебания в анодном контуре умножителя можно считать практически синусоидальными только при выполнении условия Q ³ 5n . При удвоении и утроении частоты это условие обычно хорошо выполняется. При n > 3 его выполнение может оказаться затруднительным. Необходимо также иметь в виду, что при больших значениях n оптимальный угол отсечки анодного тока q_opt=120°/n мал, и амплитуда переменного напряжения на управляющей сетке лампы, обеспечивающая удовлетворительное её использование по току, может оказаться настолько велика, что возникает опасность пробоя в пространстве катод - управляющая сетка

Форма импульсов анодного тока ламповых умножителей отличается от косинусоидальной, однако, поскольку проницаемость ламп мала, при инженерном расчете удвоителей и утроителей допустимо пользоваться соотношениями, полученными для усилителей. Еще более далеки от косинусоидальной формы импульсы коллекторного тока транзисторных умножителей, поэтому в выходной колебательный контур, настроенный на требуемую гармонику, включают шунты, настроенные на наиболее интенсивные гармоники рабочей частоты (в удвоителях - на первую, в утроителях - на первую и на вторую).

1.9.1.2. Варакторные умножители частоты

Варактор представляет собой полупроводниковый диод. В качестве нелинейного элемента используется нелинейная ёмкость p-n-перехода, которая складывается из барьерной и диффузионной емкостей, С_б и С_д. При закрытом переходе емкостью варактора является барьерная емкость С_б, а при открытом к ней добавляется диффузионная емкость С_Д. Известно, что барьерная ёмкость закрытого p-n-перехода нелинейно зависит от приложенного напряжения U (рис.1.13а), но её величина и нелинейность невелики, поэтому умножители, работающие при полностью закрытом переходе используют на частотах выше 10 ГГц в удвоителях и утроителях частоты. На более низких частотах в умножителях с большей кратностью умножения ( n>3) используют режим с отпиранием р-n-перехода, когда доминирующую роль играет диффузионная ёмкость С_д, которая на несколько порядков больше С_б, а её нелинейность очень велика (рис.1.13а). При этом преобразуемая мощность и коэффициент преобразования оказываются достаточно большими при высокой кратности умножения (до n =5-7). Эквивалентная схема варактора изображена на рис.1.13б, где r_р-сопро-тивление рекомбинации, а r_м – сопротивление полупроводникового материала, а также потери, обусловленные конечным временем восстановления закрытого состояния p-n-перехода. Для эффективного умножения необходимо, чтобы при открытом p-n-переходе ток, протекающий через диффузионную емкость С_д существенно превышал ток через сопротивление рекомбинации r_р, для этого рабочая частота должна быть достаточно высокой: w₁>10/r_рС_д . С другой стороны, частота должна быть достаточно низкой, чтобы потери на сопротивлении r_м были относительно малы, т.е. w₂<0,1/r_мС_б. Таким образом, рабочие частоты варакторного умножителя должны находиться в интервале частот w₂ < w_раб < w₁, при этом частота на входе умножителя w_вх > w₂, а частота на его выходе Nw_вз<w₁.

Рис.1.14

Структурная схема варакторного умножителя изображена на рис.1.14, она содержит пассивный нелинейный элемент НЭ, входной и выходной фильтры, Ф_вх и Ф_вых , и цепь смещения. В качестве входного фильтра может быть использован фильтр нижних частот, а в качестве выходного - полосовой фильтр.

1.9.2. Понижение КПД генератора из-за высших гармоник

При изучении лампового генератора предполагалось, что напряжение возбуждения на его управляющей сетке изменяется по косинусоидальному закону, т.е. u_g=U_gmcoswt. В действительности, вследствие импульсного характера анодного и сеточного токов и обусловленных этим высших гармоник в сеточной цепи, форма сеточного возбуждения может сильно исказиться, что повлечёт за собой понижение электронного кпд генератора.

В течение той части периода, когда остаточное напряжение между сеткой и катодом е_g отрицательное, сеточный ток отсутствует, он появляется лишь в ту часть периода, когда это напряжение на сетке становится положительным. Следовательно, для сеточного тока промежуток сетка-катод представляет собой нелинейную цепь, которую при индуктивной связи контура возбудителя c

а) б)

Рис.1.15

сеточной цепью генератора (рис.1.15а) можно представить эквивалентной схемой рис.1.15б, где диод символизирует нелинейный характер сеточной цепи, а r_g - входное сопротивление лампы, которое зависит от ее электронного режима. В сеточной цепи действуют напряжение смещение Е_g и наводимая из контура возбудителя эдсU_gmcoswt. Если бы индуктивности L_g не было, в цепи сетки протекали бы импульсы сеточного тока i_g с углом отсечки q_g= – arccos .

а) б)

Рис.1.16

Индуктивность L_g в сеточной цепи препятствует нарастанию сеточного тока и замедляет его уменьшение, поэтому форма импульсов сеточного тока искажается (рис.1.16а). При решении подобных задач ток, протекающий в нелинейной цепи рис.1.15б, представляют суммой двух токов - свободного i_св и вынужденного i_вын, т.е. i_g= i_св + i_вын.

Свободный ток i_св может быть найден из дифференциального уравнения

Таким образом, уравнение дла тока i_g имеет вид:

i_g = + A .

Рис.1.17

Коэффициент А можно определить из условия, что в момент времени t₁ (рис.1.16) ток i_g=0, т.е.:

0 = + A ,

откуда

А =- [ ] .

Тогда:

i_g= - [ ] .

На рис.1.16б показаны диаграммы токов и напряжений в сеточной цепи. Импульс сеточного тока начинается при t = t₁ и заканчивается при t = t₃, когда вынужденный ток равен свободному току, но имеет обратное направление. При L_g=0 ток i_g прекратился бы в момент времени t₂, следовательно из-за индуктивности L_g длительность импульса сеточного тока возрастает. Напряжение между сеткой и катодом будет иметь ту же форму, что сеточный ток.

При прекращении сеточного тока в цепи остаются только напряжения смещения E_g и напряжение возбуждения U_gmcoswt, поэтому в момент времени t₃ происходит скачок напряжения, как показано на рис.1.17. рис.1.17. Результирующее напряжение на сетке е_g показано на рис.1.17 сплошной линией, пунктиром показано напряжение e_g при L_g=0. Чем больше индуктивное сопротивление катушки wL_g и импульс тока i_gmax, тем сильнее искажена форма напряжения сеточного возбуждения. Поскольку проницаемость лампы мала, соответственно искажается и форма импульса анодного тока i_a - он становится уплощенным и более длительным. У такого импульса уменьшается отношение a₁/a₀ и, следовательно, понижается электронный КПД (на рис.1.17 пунктиром показан неискажённый импульс). Эти явления должны сказываться сильнее при работе генератора в перенапряженном режиме, так как тогда сеточные токи больше и, следовательно, сопротивление r_g меньше, чем в недонапряженном режиме.

Искажения импульса анодного тока из-за высших гармоник в сеточной цепи можно также объяснить наличием высших гармоник сеточного тока - I_g2, I_g3 и др. Если бы сеточный ток изменялся по косинусоидальному закону с амплитудой I_g1, напряжение между сеткой и катодом лампы не было бы искажено, оно было бы сдвинуто по фазе относительно наводимой из контура возбудителя эдс U_g, а его амплитуда былабы равна:

Так как сеточный ток имеет форму импульсов, он богат высшими гармониками, которые создают падения напряжения на катушке L_g- I_g22wL_g, I_g33wL_g и т.д., вследствие чего форма сеточного напряжения искажается.

Для устранения этого явления необходимо, чтобы сеточная цепь представляла малое сопротивление для высших гармоник. Наилучшей является ёмкостная связь с предыдущим каскадом, так как конденсатор связи представляет для высших гармоник малое сопротивление.

1.9.3. Повышение КПД генератора за счет высших гармоник

Ранее было установлено, что генератор отдаёт наибольшую мощность при работе генераторной лампы в граничном режиме, т.е. при коэффициенте использования x = x_{к р}= и U_a = U_акр. При x>x_кр режим становится перенапряжённым, в импульсе анодного тока появляется сед­ловина, приводящая к резкому уменьшению первой гармоники анодного тока I_al и уменьшению мощ­ности генератора.

Рис. 1.18

Можно было бы существенно улучшить энергетические показатели гене­ратора, если бы удалось исказить должным образом форму колебательного напряжения на аноде, так, чтобы увеличить x за пре­делы его критического зна­чения без перехода генера­тора в перенапряженный режим (т.е. без искажения формы им­пульса анодного тока). Одним из путей безболезненного увеличения коэффициента использования x является искажение формы переменного анодного напряжения е_а, действующего между анодом и катодом лампы, при котором при значениях wt, близких к 2np (где n = 0; 1, 2…) его мгновенные значения не превышали бы допустимой величины. Этого можно добиться, если последо­следовательно с напряжением первой гармоники U_а1 включить в анодную цепь лампы напряжение третьей гармоники основной частоты U_a3, противофазноенапряжениюU_а1. На рис.1.18 показана форма кривой результирующего напряжения е_а между анодом и катодом лампы, равного сумме всех напряжений, действующих между этими электродами:

e_a = E_a - U_a1coswt + U_a3cos3wt .

Из рисунка видно, что амплитуда первой гармоники переменного напряжения на аноде U_а1 больше U_а1кр, хотя режим не становится перенапряженным. При этом отдаваемая генератором мощность и его КПД увеличиваются. Для того,чтобы выделить напряжение третьей гармоники U_a3 в анодную цепь включают дополнительный контур L₃C₃, настроенный на тре­тью гармонику (рис1.19).

Рис.1.19

Этот контур представляет для неё активное со­противление R_э3=r₃Q₃ и весьма малое реактивное сопротивление для про­чих гармоник, в том числе и для первой. Угол отсечки анодного тока должен быть немного больше 90⁰, при этом фазы составляющих третьей и первой гармоник анодного тока противоположны (рис.1.3). Напряжение между сеткой и катодом е_g, как всегда, равно сумме напряжения смещения и мгновенных значений напряжения возбуждения:

e_g = E_g + U_gcoswt

Расчеты показывают, что при =~ 0,25 можно сохранить у генератора граничный режим при U_a1» Е_а, что совершенно невозможно при косинусоидальном напряже­нии на аноде.

Следует отметить, что изменение в процессе настройки элементов одного из контуров влияет на состояние другого, поэтому бигармонические режимы используют главным образом в неперестраиваемых (или редко перестраиваемых) передатчиках длинных и средних волн.

Исследования показали, что напряжение третьей гармоники может быть противофазным и при угле отсечки анодного тока, меньшем 90°, но при условии, что импульс анодного тока будет упло­щенном, или имеющем седловину. Аналогичный эффект может быть по­лучен также путем использования второй гармоники вместо третьей.

Еще одним способом получения тех же результатов является неболь­шаярасстройка анодного контура генератора, работающего в перенапряженном режиме. При работе лампы в перенапряженном режиме импульс анодного тока из-за седловины имеет относительно большую про­тивофазную составляющую третьей гармоникиI_a3. Хотя анодный контур представляет для неё небольшое ёмкостное сопротивление Z_ЭЗ»R_э/ Q, на нём всё же появляется некоторое напряжение U_а3 = I_a3Z_э3,которое отстаёт по фазе от I_a3 на 90°. Если анодный контур настроен на частоту немного выше рабочей частоты, т.е.w>w_раб, то для последней он представляет собой комплексное сопротивление ин­дуктивного характера, поэтому падение напряжения на нём U_a3 = I_а3Z_э3 опережает по фазе ток I_a1 на 90⁰. В результате напряжение U_a3 оказывается почти противофазным напряжению U_а1. Такое искажение формы колебательного напряжения на аноде при небольшой расстройке анодного контура приводит к увеличению первой гармоники анодного тока I_a1, а вместе с ней и тока в контуре. При этом может заметно повыситься и КПД генератора. Этот метод иногда ис­пользуют в передатчиках с анодной модуляцией, оконечный каскад которых работает в перенапряжённом режиме.