Сложение мощностей активных элементов. Двухтактное включение. Мостовые схемы сложения мощностей. Способы питания излучателей ФАР

6. СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АЭ

6.1. Параллельное включение АЭ

Если невозможно обеспечить необходимую мощность  одним  элементом, то приходится включать несколько элементов, при этом возникает задача сложения мощностей  (особенно для транзисторных усилителей) .

                     рис.6.1. 1

Для анализа этой схемы (рис.6.1.1) удобно воспользоваться эквивалентной схемой усилителя (рис.6.1.2.) .Через общую  нагрузку Zн протекает сумма выходных токов АЭ. Напряжение на  нагрузке  Uн создаётся первыми гармониками тока АЭ.

рис. 6. 1. 2

Отношение напряжения на общей нагрузке Zн к  выходному  току одного из АЭ называется  кажущимся  сопротивлением  нагрузки  для этого АЭ. Следовательно, кажущееся сопротивление для первого элемента:

         

                   

Из последних выражений видно, что кажущееся сопротивления Z”н и Z'н отличаются отZн и зависят от соотношения        токов одного и второго АЭ. Полезные мощности АЭ складываются в общей нагрузке:

                   

где φ' и φ" — фазы токов I' вых и I"вых относительно  напряжения нагрузки.                  

 Также будут суммироваться и мощности, потребляемые от ИП .  Из пос-ледних выражений для кажущегося сопротивления видно, что наиболее эффективна работа такой системы, когда:

         

Если Zн = Rн  ( контур настроен на резонансную частоту), то   R'н = 2R.

Причины нарушения симметрии:

Пусть φ' и φ" не одинаковы. Это тогда, когда значения крутизны АЭ одного и второго не одинаковы, т.е., в этом случае, нагрузка для каждого элемента будет комплексной, что приведёт к потери мощности. Также различия АЭ по крутизне характеристик и напряжения запирания Е' приводит к несовпадению угла отсечки и высоты импульсов выходных токов. Один из АЭ может попасть в недопустимо тяжёлый режима другой в облегчённый. Т.о. необходимо симметрировать режим. Простейший способ - включение в цепь автосмещения , стабилизирующего режим работы  (рис.6.1.3).

рис.6.1.3

6. 2. Двухтактное включение

На практике чаще встречается схема          изображённая на рис.6.2.1. По сравнению с параллельной схемой , эта схема имеет ряд преимуществ. Например, в нагрузке отсутствуют чётные гармоники.Для  доказательства    воспользуемся    эквивалентными    схемами  (рис.6.2.2) и проведём анализ.

                    Рис.6.2.1.                                               Рис. 6.2.2.

                                       

                                       

Исходя из эквивалентной схемы , ток протекающий через ЦС равен:

                   

где 

Zп - сопротивление потребителя.

Если i’а = i”а, то iцс = 0. Мощность в этом случае не определяется. Чтобы появилась мощность в нагрузке необходимо, чтобы напряжения возбуждения U'вх и U"вх были противофазными , т.е

.                  

В этом случае i’а и i”а можно представить как сумму гармоник.

                             

                             

Полученные выражения подставим в выражение для iцс

         

Т.е. в нагрузке ЦС присутствуют только  нечётные  гармоники, что облегчает фильтрацию.

Кажущиеся сопротивления АЭ1 и АЭ2 рассчитывают также  как  и при параллельном включении.

Принципиальная  схема  транзисторного  двухтактного  каскада представлена на рис.6.2.3.

рис. 6.2.3.

6. 3. Мостовые схемы сложения мощностей

Мостовые схемы сложения мощностей  обеспечивают  независимую работу отдельных ВЧ генераторов.

Мостовая  схема  двух  ВЧ  генераторов   предоставлена    на рис.6.3.1.

рис. 6. 3. 1.

где Rб -   балластное сопротивление ;

Rн -  сопротивление  нагрузки .

На Rн  будет выделятся  мощность равная:

На Rб токи вычитаются и если I1=I2 , то на Rб мощность не выделяется. Вся мощность поступает в нагрузку :

      

где φ - разность фаз токов первого и второго генераторов .

Пусть один из генераторов вышел из строя, следовательно, КПД равен 0. 5 и мощность упадёт в нагрузке в 4 раза.

рис.6. 5. 2

6.4. Резонансные мостовые схемы сложения мощностей

Рассмотрим построение резонансных мостовых  схем  на  основе сложения m идентичных синфазных  генераторов.  Структурная  схема предоставлена на рис.6.4.1.

Рис.6.4.1.

Схема содержит m одинаковых четырехполюсников и m балластных  сопротивлений. Rб = Rвх и включаются они по схеме многолучевой звезды. ЧП  обеспечивают необходимую трансформацию сопротивлений mRвх в Rн и  фазовый сдвиг 90°.Токи всех генераторов суммируются в Rн  и  компенсируются  в Rб. При активных Rвх, Rб и Rн в качестве ЧП используются П-образные или Т-образные цепочки с сосредоточенными элементами с одинаковыми по модулю сопротивлениями.Для дополнительной фильтрации высших гармоник  ВЧ  генераторов, а также для практической реализации в микрополосном исполнении на СВЧ применяются ЧП в виде ФНЧ:

Рис.6.4.2.

Где      ,  ω – рабочая частота .

На СВЧ используются также λ/4 – отрезки длинных линий ( Рис. 6.4.3.)

Рис. 6.4.3.

Если длина λ/4 отрезков получается достаточно большой, то  в этом случае на входе и выходе ставятся дополнительные ёмкости.

Реактивное сопротивление LС элементов и волновое сопротивление определяются:

                   

Для обеспечения  большей  широкополосности  обычно  выбирают коэффициенты трансформации равными единице.

На практике применяются резонансные волновые схемы для  двух генераторов.

Если Rвх = Rн ,  то

Схема для двух генераторов представлена на рис.6.4.4 .

рис. 6. 4. 4.

В диапазоне СВЧ применяют схему гибридное кольцо (рис.6.4.5).

рис.6.4.5