УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК H03F3/20 H03F3/60 

Изобретение относится к технике радиопередающих устройств диапазонов ВЧ, ОВЧ, УВЧ и может быть использовано в усилителях мощности телевизионных, связных, AM и ЧМ вещательных станций, в промышленных генераторах и генераторах накачки лазеров.

Известно устройство предоконечного и выходного каскадов усилителей мощности сигналов изображения телевизионных станций [1]. В предоконечном каскаде используется двухконтурная система с емкостной связью между анодным и нагрузочным контурами. Выходной каскад также образован двумя контурами с индуктивной связью с нагрузкой.

Известны также устройства колебательных контуров выходных цепей генераторных ламп ОВЧ-УВЧ диапазонов телевизионных и ЧМ передатчиков [2], которые представляют собою перестраиваемые двухконтурные системы с индуктивной связью между контурами.

В [3] приведены принципиальные схемы передатчиков и ретрансляторов ОВЧ-УВЧ диапазонов с применением на входе усилителей фильтровых цепей и на выходе - связанных двух- и трехконтурных колебательных систем.

Общим недостатком известных устройств является их сложность, обусловленная применением многоконтурных колебательных систем для обеспечения широкополосности усилителей мощности. Наличие в системе связанных узкополосных контуров снижает линейность фазочастотных характеристик усилителей. Изготовление связанных контуров требует большой трудоемкости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве ближайшего аналога устройство лампового усилителя мощности, рассмотренное в [4]. Устройство содержит последовательно соединенные входной элемент связи в виде регулируемого конденсатора, входной одиночный колебательный контур, образованный катодным и сеточным цилиндрами, генераторную лампу (в данном случае включенную по схеме с общей сеткой), выходной одиночный колебательный контур, состоящий из анодного и сеточного цилиндров, и выходной элемент связи в виде индуктивной петли. К входному и выходному элементам связи подключены соответственно источник возбуждения и нагрузка.

Принцип работы ближайшего аналога сводится к следующему. Усиливаемые колебания поступают на входной контур через конденсатор связи, величина емкости которого обеспечивает необходимые условия согласования входной цепи лампы с источником возбуждения. Усиленные генераторной лампой в.ч. колебания выделяются выходным колебательным контуром и через выходной элемент связи поступают в нагрузку. Регулировкой величины связи контура с нагрузкой достигается необходимая величина нагрузочного сопротивления для генераторной лампы.

Недостатком ближайшего аналога является узкая рабочая полоса частот, обусловленная применением во входной и выходной цепях усилителя одиночных колебательных контуров, имеющих узкую полосу пропускания.

В предложенном устройстве для расширения рабочей полосы частот усилителя в условиях применения одиночных контуров входной и выходной элементы связи выполнены в виде входного и выходного гираторов, а на входе и выходе устройства параллельно гираторам введены амплитудно-частотные корректоры в виде реактивных двухполюсников. Гираторы [5] выполняют функции обычных элементов связи и одновременно осуществляют в рабочей полосе частот усилителя инверсию полного сопротивления подключенной цепи. Преобразованное гиратором нормированное полное сопротивление имеет единичное активное сопротивление и противоположную по знаку реактивную составляющую преобразованного сопротивления.

За счет введения амплитудно-частотных корректоров параллельно входу и выходу усилителя активные сопротивления источника возбуждения и нагрузки становятся комплексными. По частотной характеристике они подобны не инвертированным гираторами полным сопротивлениям контуров. Таким образом происходит взаимная компенсация реактивных составляющих сопротивлений во входной и выходной цепях усилителя.

В результате рабочая полоса частот предложенного усилителя может быть расширена до 2,5 - 10% от средней частоты в диапазонах ОВЧ-УВЧ и до 25% в диапазонах ВЧ-ОВЧ. Высокая линейность фазочастотной характеристики обусловлена компенсацией реактивностей в тракте прохождения усиливаемого сигнала. Низкая стоимость - применением только одиночных колебательных контуров на входе и выходе усилителя.

Совокупность перечисленных узлов (гираторов и амплитудно-частотных корректоров) в известных аналогах не использовалась.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предложенного усилителя мощности; на фиг. 2 - круговая диаграмма полных сопротивлений, поясняющая принцип работы усилителя; на фиг. 3 - электрическая схема амплитудно-частотного корректора диапазона ОВЧ-УВЧ.

Усилитель мощности содержит последовательно соединенные входной элемент связи 1, вход которого подключен к входу устройства, входной колебательный контур 2, генераторную лампу 3, выходной колебательный контур 4, выходной элемент связи 5, выход которого подключен к выходу устройства, а также подключенные параллельно входу и элементу связи 1 входной амплитудно-частотный корректор 6 и параллельно выходу и элементу связи 5 выходной амплитудно-частотный корректор 7.

При расчете входной и выходной цепей предложенного устройства применялся принцип комплексно-сопряженного согласования в части компенсации реактивных составляющих полных сопротивлений в указанных цепях.

Известно [6], что полное сопротивление параллельного колебательного контура Z = R + jX, нормированное к его резонансному сопротивлению R_ое, описывается выражением

где ζ =(f/f₀-f₀/f)Q - обобщенная расстройка;
f₀ - резонансная частота;
f ∈ [f_min, f_max] - текущая частота;
f_min, f_max - границы рабочей полосы частот усилителя;
Q - добротность контура.

На круговой диаграмме относительных полных сопротивлений зависимость Z/R_ое(ζ) располагается на окружности а, соответствующей инвертированной окружности единичного активного сопротивления b (фиг. 2). Центральная точка диаграммы R/R_ое = 1, X/R_ое = 0 соответствует резонансной частоте колебательного контура. Положительные расстройки лежат на левой полуокружности, где расположены отрицательные реактивности. Отрицательные расстройки охватывают положительные реактивности, отсчитываемые по правой части окружности. Эта же точка характеризует сопротивление источнику возбуждения и нагрузки (нормированные).

Компенсация реактивностей во входной и выходной цепях усилителя окажется возможной, если частотные характеристики полных сопротивлений каждой из двух сопрягаемых частей усилителя (источника возбуждения - входной цепи и выходной цепи - нагрузки) будут представлять собою подобные по форме характеристики, расположенные на дугах взаимно сопряженных окружностей единичного активного сопротивления и единичной проводимости (на жирных линиях окружностей a и b фиг. 2).

Описанное расположение частотных характеристик полных сопротивлений достигается использованием в качестве входного и выходного элементов связи гираторов сопротивлений и подключением параллельно входу и выходу усилителя специальных амплитудно-частотных корректоров.

Наряду с выполнением функции элементов связи контуров с входной и с выходной цепями, гираторы одновременно осуществляют инверсию полного сопротивления контуров, перемещая дугу окружности а, где расположены частотные характеристики полного сопротивления контуров, на сопряженную ей дугу окружности b, т.е. поворачивают характеристику полного сопротивления относительно центра диаграммы на 180^o.

Существенно, что при описанной инверсии расширяются пределы изменения частотной характеристики реактивной составляющей полного сопротивления цепи, т.е. увеличивается параметр крутизны реактивности инвертированной цепи. Так, например, если полное сопротивления преобразуемой цепи в рабочей полосе частот занимало на дуге окружности a интервал f_min-f_max (фиг. 2), то характеристика сопряженного сопротивления (после инверсии гиратором) займет равный по протяженности участок f_min-f_max на дуге окружности b. Несмотря на равенство длин этих участков, пределы изменения реактивной составляющей в преобразованной цепи оказываются всегда выше. В рассмотренном примере пределы отличаются в два раза: от X=+j0.5 до X=-j0.5 в преобразуемой цепи и от X=-j1.0 до X=+j1.0 в преобразованной.

Амплитудно-частотные корректоры, включенные на входе и на выходе усилителя, должны обеспечить расположение нормированной частотной характеристики входной и выходной цепей на дуге окружности a. Для компенсации реактивных составляющих инвертированных цепей с увеличенными пределами изменения реактивного сопротивления подключенный двухполюсник также должен иметь повышенную крутизну реактивности в рабочей полосе усилителя. Кроме того, его частотная характеристика должна сохраняться в условиях параллельного подключения к активным сопротивлениям, которые имеют источник возбуждения и нагрузка. Из (1) видно, что идентичность частотных характеристик реактивных сопротивлений колебательных контуров может быть достигнута при равенстве их добротностей. Однако сопротивления возбудителя и нагрузки в типовых случаях составляют 50 или 75 Ом. По этой причине вне зависимости от собственной добротности подключаемого контура его приведенная добротность окажется низкой и необходимая частотная зависимость реактивного сопротивления, тем более с увеличенной крутизной, не сможет быть получена.

В предложенном усилителе в качестве амплитудно-частотных корректоров применены двухполюсники, обладающие повышенной крутизной изменения реактивного сопротивления в условиях параллельного подключения к низкоомному активному сопротивлению. На частотах ОВЧ-УВЧ диапазонов этой особенностью обладают короткозамкнутые и разомкнутые отрезки высокочастотной линии передачи с волновым сопротивлением, равным или близким к сопротивлению шунтирующей цепи. Для этого отрезок линии передачи должен использоваться на обертонах рабочей длины волны усилителя. Действительно, нормированная проводимость короткозамкнутого отрезка линии передачи равна
B(γ) = -j ctg 2πγl,
где γ = f/f₀;
;
k = 2, 3 ... - электрическая длина отрезка.

При γ ≠ 1 зависимость B(γ) в рабочей полосе частот определится выбранным значением k. Например, при k = 2 и γ∈ [0.90, 1.00] пределы изменения B(γ) в два раза больше, чем при k = 1. В общем случае может использоваться отрезок линии передачи l₀, нагруженный на параллельное соединение короткозамкнутого l_кз и разомкнутого l_хх отрезков той же линии, фиг. 3. Это соединение позволяет получить большое разнообразие зависимостей B(γ).

В диапазонах ВЧ-ОВЧ подобными свойствами обладают искусственные линии задержки в режимах короткого замыкания или холостого хода. Крутизна частотной зависимости их реактивного сопротивления зависит от числа звеньев и их параметров.

Полное сопротивление инвертированной цепи целесообразно располагать на дуге окружности, проходящей выше окружности единичного сопротивления, т.е. на дуге c-c, фиг. 2. Это позволяет расширить полосу рабочих частот усилителя за счет снижения неравномерности активных составляющих сопротивлений цепей в рабочей полосе частот.

Усилитель работает следующим образом. При подключении к усилителю источника возбуждения и нагрузки его входное и выходное активные сопротивления становятся комплексными за счет параллельно включенных амплитудно-частотных корректоров 6 и 7. Комплексные сопротивления располагаются на дуге окружности a по обе стороны от центра диаграммы, соответствующего средней частоте рабочей полосы усилителя. Элементы связи 1 и 5 трансформируют активное сопротивление нагруженного на лампу контура в сопротивление источника возбуждения и активное сопротивление нагрузки: (через выходной контур) в нагрузочное: сопротивление генераторной лампы. Являясь гиратором, входной элемент связи 1 одновременно преобразует полное сопротивление, действующее в точке его подключения к контуру, в сопряженное ему комплексное сопротивление, характеристика которого займет соответствующий участок на дуге окружности b. Аналогичные функции гиратора выполняет элемент связи 5. На его выходе полное сопротивление преобразуется в комплексное сопротивление, которое расположится также на дуге окружности b. Таким образом к месту соединения амплитудно-частотного корректора 6 и элемента связи 1 оказываются подключенными две цепи с равными по величине, но обратными по знаку значениями реактивных сопротивлений. В результате компенсации реактивностей источник возбуждения в рабочей полосе частот оказывается нагруженным на цепь, обладающую лишь активным сопротивлением. Неравномерность возбуждения лампы в этом случае определится степенью отклонения активной составляющей входного сопротивления цепи от номинального значения. Эта величина контролируется при расчете во избежание превышения заданного допустимого значения входного коэффициента отражения усилителя.

Аналогично функционирует выходная цепь усилителя, в которой реактивность инвертированного выходного сопротивления контура, действующая на выходе элемента 5, компенсируется обратной по знаку реактивностью параллельного соединения нагрузки и амплитудно-частотного корректора 7. Неравномерность нагрузочного сопротивления генераторной лампы будет зависеть от пределов изменения активного сопротивления ее выходной цепи, которые также контролируются при расчете.

Источники информации
1. Глазман Э.С. и др. Автоматизированная телевизионная радиостанция диапазона ОВЧ с передатчиками 50/5 кВт. - Электросвязь, 1987, N 2, с.8.

2. Electron tubes for TV and broadeast, Thomson tubes electroniques. Каталог TTE 174, 1993, p.p. 13 - 20, 66 - 67.

3. ABE Elecnronica S.p.A. -Vin Galileo Galilei, 1-24043, GAPAVA-6610, ITALY.

1 kW TETRODE TV TRANSMITTER - TRANSLATOR.

ABE TX 1000/VE - rP/1000 VE (VHF BAND).

ABE TX 1000/VE-RP/1000 VE (VHF BIII0).

User's manual, 1993.

4. Радиопередающие устройства. Под ред. Благовещенского М.В., Уткина Г. М. - М.: Радио и связь, 1982, с. 182.

5. Лосев А.К. Теория линейных электрических цепей. - М.: Высшая школа, 1987, с. 46.

6. Котельников В.А., Николаев А.М. Основы радиотехники, ч.1. - М.: Гос. из-во литературы по вопросам связи и радио. 1950, с. 133.

Усилитель мощности предназначен для использования в предоконечных и выходных ламповых каскадах телевизионных, связных, AM и ЧМ вещательных передатчиков, в промышленных генераторах и генераторах накачки лазеров ВЧ, ОВЧ, УВЧ диапазонов. В усилителе используются гираторы сопротивлений в качестве элементов связи входного контура с источником возбуждения и выходного контура с нагрузкой, а также введены на входе усилителя параллельно входному гиратору и на выходе усилителя параллельно выходному гиратору реактивные двухполюсники, обладающие повышенной крутизной реактивности. При этом в качестве высокочастотных линий передачи амплитудно-частотных корректоров используются искусственные линии задержки. Технический результат: расширение рабочей полосы частот при высокой линейности фазочастотной характеристики. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Усилитель мощности, между входом и выходом которого последовательно включены входной элемент связи, входной колебательный контур, генераторная лампа, выходной колебательный контур, выходной элемент связи, отличающийся тем, что в качестве элементов связи использованы соответственно входной и выходной гираторы сопротивлений, параллельно которым на входе и выходе усилителя мощности подключены амплитудно-частотные корректоры в виде отрезков высокочастотных линий передачи, нагруженных на параллельное соединение короткозамкнутого и разомкнутого отрезков той же линии. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве высокочастотных линий передачи амплитудно-частотных корректоров используются эквивалентные им по параметрам искусственные линии задержки.