«лэти» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбгэту «лэти»)


Исследование существующей электродинамической схем сложения



Pdf просмотр
страница14/23
Дата27.05.2018
Размер1.12 Mb.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   23
2.5. Исследование существующей электродинамической схем сложения
мощности
Сумматоры мощности находят широкое применение при разработке устройств СВЧ различного назначения. Сумматоры мощности обеспечивают сложение мощностей, поступающих на несколько входных каналов, в общей нагрузке. Сумматоры мощности нескольких генераторов должны иметь возможность синхронизировать генераторы именно таким образом, чтобы обеспечить синфазное сложение их мощностей в нагрузке. Сумматоры мощности должны иметь приемлемое согласование в полосе частот и необходимую развязку между каналами. Существенными являются также такие параметры как совместимость работы некогерентных устройств, их согласование, и работаспобосность при частотном затягивании, масса и габариты этих устройств, показатели надежности, стоимости и др.



36
Три основных способа суммирования мощностей сигналов
однотипных генераторов:
– с помощью многополюсных схем-сумматоров;
– со сложением сигналов в пространстве с помощью фазированной антенной решетки;
– в общем резонаторе.
При первом способе суммирования мощностей, к специальному многополюсному устройству подключается большое число однотипных генераторов, мощность сигналов которых поступает в общий выходной канал, связанный с нагрузкой (см.рис. 2.6). Такой способ практически позволяет увеличить мощность радиопередатчика по отношению к мощности одного полупроводникового прибора на 15…20 дБ; второй - на 30…40 дБ; третий - на 10…13 дБ.
Рисунок 2.6 — Схема сложения однотипных генераторов с одним выходным каналом


При втором способе сложение мощностей сигналов происходит в пространстве с помощью фазированной антенной решетки (ФАР), состоящей из большого числа определенным образом ориентированных излучателей, каждый из которых возбуждается от самостоятельного генератора (см. рис.
2.7). Все сигналы, подводимые к излучателям, идентичны, за исключением значений начальных фаз, связанных между собой определенным законом.
При этом возникает задача по стабилизации и управлению фронтом фаз сигналов одинаковой структуры. [11]


37
Рисунок 2.7 — Схема сложения ФАР
При третьем способе сигналы генераторов подводятся к общей колебательной системе (в СВЧ диапазоне это объемный резонатор), в котором и происходит их сложение (см. рис. 2.8).
Рисунок 2.8 — Схема сложения общего колебательного контура
Все эти способы позволяют существенно повысить надежность радиопередатчика, поскольку отказ одного из генераторов приводит только к некоторому снижению суммарной выходной мощности, и устойчивость работы усилительного тракта, так как сумматоры улучшают развязку между отдельными каскадами. Кроме этого, при суммировании мощностей сигналов улучшаются условия охлаждения мощных полупроводниковых приборов, рассредоточиваемых на большой поверхности. Так как проблема суммирования мощностей сигналов особенно актуальна в СВЧ диапазоне, то применительно к нему и рассмотрим данную проблему.
Многополюсный сумматор должен иметь N входов (обозначим их номера с 1 по n) для подключения N однотипных генераторов, один общий выход для подключения нагрузки (обозначим его как 0) и К входов для


38 подключения балластных нагрузок. Рассмотрим такие нагрузки как составную, обязательную часть сумматора и поэтому определим последний как многополюсник с (n+1) входами (см. рис. 2.9).
Рисунок 2.9 — Схема многополюсника с N входами
Предположим, что ко всем входам присоединяются фидерные линии с одним и тем же волновым сопротивлением, равным стандартному значению

0
=50
Ом.
Сумматор сигналов должен отвечать нижеперечисленным требованиям:

мощность сигнала в нагрузке, за вычетом небольших потерь, должна быть равна сумме номинальных мощностей отдельных генераторов;

все входы сумматора должны быть развязаны между собой или взаимно независимы;

мощности отраженных сигналов по всем входам должны быть равны нулю;

перечисленные свойства должны сохраняться в требуемой полосе частот.
Второе требование заключается в том, что сигнал от каждого генератора не должен поступать в каналы, к которым подключены другие источники, и, следовательно, влиять на их работу. Изменения в режиме работы любого генератора, включая режимы холостого хода и короткого


39 замыкания, не должны влиять на мощность и работу всех других генераторов. Мощность последних должна по-прежнему оставаться равной номинальному значению и поступать из сумматора в полезную или балластную нагрузки.
Перечисленным требованиям отвечают следующие сумматоры:
1.
составленные из К ступеней мостовых квадратурных устройств;
2.
составленные из К ступеней устройств синфазного типа;
3.
типа «звезда».
Структурная схема сумматора 1-го вида на основе мостовых устройств квадратурного типа по сложению мощностей четырех генераторов приведена на рисунке 2.10; восьми генераторов - на рисунке 2.11.
Рисунок 2.10 — Структурная схема сложения на основе мостовых устройств
Рисунок 2.11 — Фазовращатели дискретного типа
На основе устройств синфазного типа строится сумматор 2-го вида, в частности шестиполюсника, топология которого показана на рисунке 2.12.
Шестиполюсник состоит из двух отрезков линий длиной по 0,25

д и


40 балластного сопротивления величиной 2

Рисунок 2.12 — Топология сумматора на основе устройств синфазного типа.
Структурная схема сумматора 3-го вида, то есть построенного по схеме «звезда», по сложению мощностей четырех генераторов приведена на рисунке 2.13. Здесь как и в предыдущем случае, ко всем входам сумматора сигналы, подводятся с равными фазами.


Рисунок 2.13 — Схема сумматора 3-го вида, построенного по схеме «звезда».
При волновом сопротивлении внешних линий передачи

и сопротивлении нагрузки R
н
=

следует иметь: сопротивление балластной нагрузки Rбал=

, волновое сопротивление отрезков линий сумматора длиной по 0,25

д
N
л



Отметим, что разбаланс амплитуд и фаз суммируемых сигналов в рассмотренных схемах приводит к ощутимым потерям, поскольку часть мощности от генераторов начинает поступать в балластные сопротивления вместо полезной нагрузки. При суммировании сигналов, поэтому


41 необходимо стабилизировать фронт амплитуд и фаз сигналов с определенной точностью, в том числе с помощью устройств автоматического регулирования. Потери особенно ощутимы при выходе из строя усилителей.
Так, например, в случае суммирования двух усилителей при отказе одного из них происходит уменьшение мощности в полезной нагрузке в четыре раза по сравнению с нормальным режимом работы, то есть с 2Р
1
до 0,5Р
1
, где Р
1
- мощность одного транзистора. Другая часть мощности работоспособного усилителя в 0,5Р
1
начинает рассеиваться в балластной нагрузке.
Целью в работе является решение задачи по созданию устройства, позволяющего осуществить сложение мощностей 2-х магнетронов, применяемых в бытовых СВЧ печах. Для некоторых экспериментальных исследований и технологических процессов СВЧ мощность в 1 кВт оказывается недостаточной. А приобретение генераторов с более высокой выходной мощностью (2-5 кВт) в наше время часто проблематично из-за их высокой стоимости. Вообще, высокая стоимость СВЧ генераторов является одной из основных причин, сдерживающих их применение в различных областях исследований, а так же в промышленных технологических процессах.
Попытки ранее предпринимавшиеся по сложению мощностей 2-х магнетронов в стандартном волноводе, не увенчались успехом из-за
«конфликта» между ними и, в результате, быстрого выхода их из строя.
Известно о сложении мощностей двух, трех и более магнетронов с применением развязывающих элементов: двойных волноводных тройников, вентилей и циркуляторов. Но такой путь приводит к значительному увеличению массы, габаритов и стоимости такого устройства.[11]


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   23


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница