Важным требованием к СУ является способность удовлетворительно работать в заданном диапазоне частот. В связи с этим различают узкодиапазонные

иширокодиапазонные согласующие устройства.

Кузкодиапазонным относят СУ, которые не требуют перестройки при изменении частоты передатчика на (10 – 15)%. Как правило, узкодиапазон-

ные СУ используются в передатчиках, работающих на одной фиксированной частоте, или на близко расположенных одна относительно другой частотах.

При работе с широкополосными спектрами сигналов, подлежащих передаче, узкополосные СУ непригодны. Невозможно их использовать и в том случае, если передатчик должен быстро менять рабочую частоту в широком диапазоне.

Устранить перечисленные недостатки позволяют широкополосные СУ с полосой пропускания, охватывающей весь рабочий диапазон передатчика. Такое техническое решение позволяет строить РПУ различного диапазона на одних и тех же усилительных модулях, что упрощает проектирование и производство передающей аппаратуры.

Узкополосные согласующие устройства

Роль узкополосных согласующих устройств выполняют реактивные четырехполюсники различной конфигурации и параллельные колебательные контура. Варианты структур реактивных четырехполюсников приведены на рис. 10.1.

Рис. 10.1

а – Г - образный четырехполюсник, б – П - образный четырехполюсник, в – Т - образный четырехполюсник.

Свойство реактивных четырехполюсников трансформировать сопротивление основано на том [6], что любую последовательную цепь, состоящую из активного r и реактивного x сопротивлений, можно заменить параллельной цепью, состоящей из активного сопротивления R и реактивного X, с таким же полным сопротивлением Z (рис. 10.2)

Рис. 10.2

51

Найдем соотношения между активными и реактивными сопротивлениями в

этих схемах. Для последовательной цепи:

Z = r + jx,

(10.1)

а для параллельной цепи:

Z =

jXR

jXR(R −

jX )

R

jX

R

jX

=

=

+

=

+

;

(10.2)

R + jX

R

2

+ X

2

1+

R2

X 2

1+ Q2

1+

1

X 2 1+

R2

Q2

где Q – добротность цепей: Q = x/r = R/X;

Приравнивая активные и реактивные сопротивления в соотношениях (10.1)

и (10.2), получим:
R = r(1+Q2);	X = x(1+1/Q2);	(10.3)

Формулы (10.3) показывают, что соотношения между сопротивлениями в эквивалентных цепях зависят от добротности этих цепей. Чем выше добротность цепи, тем больше различие активных сопротивлений R и r. Рассмотрим порядок расчета элементов Г-образного четырехполюсника, который должен трансформировать сопротивление нагрузки ГВВ RН в заданную величину сопротивления коллекторной нагрузки RК (рис.10.3).

Предположим, что RК больше, чем RН.

Рис.10.3

Включим последовательно с нагрузкой RН реактивное сопротивление x2. Мысленно представим параллельный эквивалент этой цепи, состоящий из активного и реактивного сопротивлений, включенных между коллектором и эмиттером транзистора. Величина этих сопротивлений больше, чем RН и x2. Потребуем, чтобы активное сопротивление эквивалента было равно RК. Соотношение (10.3) позволяет определить добротность цепи x2, RН, при которой RН трансформируется в RК:

Q =
	RK RH − 1;	(10.4)

С другой стороны, добротность этой цепи равна

Q = x2/RH; (10.5) Соотношения (10.4) и (10.5) дают возможность определить одну из реактив-

ностей четырехполюсника – x2.

x2 = Q × RH ;

(10.6)

Трансформация сопротивления осуществлена ценой появления в схеме реактивности Х, которая включена параллельно RК. Величина ее:

X = x2(1+1/Q2);

52

Для компенсации в схему вводится реактивное сопротивление х1, имеющее другой характер проводимости. Если сопротивления х1 и Х равны по модулю, то они образуют параллельный колебательный контур.

|х1| = |Х| Резонансное сопротивление этого контура велико и практически не шунти-

рует RК. Задача трансформации сопротивления RН выполнена.

Схема Г-образного четырехполюсника на рис. 10.2 трансформирует только малые сопротивления нагрузки в большую величину. Большое сопротивление нагрузки RН в меньшее RК можно трансформировать, изменив структуру четырехполюсника (рис. 10.4)

Рис.10.4 Элементы этой схемы рассчитываются в таком порядке:

Q = RН x2 =	RH	− 1 .		(10.7)
		RK

Из (10.6) определяется величина х2: х2 = RН / Q.

Сопротивление х1 компенсирует виртуальную реактивность Х, которая появляется после представления параллельной цепи x2, RН в виде последовательного эквивалента.

|x1| = |X| = x2 / (1+1/Q2).

С точки зрения трансформации сопротивлений не играет роли место включения конденсаторов и индуктивностей в структуру четырехполюсника. Однако от этого обстоятельства зависит способность цепи связи фильтровать высшие гармоники. В этом отношении схемы, изображенные на рис. 10.5 не равнозначны. При равных сопротивлениях продольных и поперечных элементов схем «а» и «б» коэффициент трансформации сопротивлений одинаков, но коэффициенты фильтрации гармоник различны [3].

Рис. 10.5

53

Коэффициент фильтрации n-й гармоники в схеме рис. 10.5,а определяется соотношением:

Фn = Q2 (n2 – 1),

а для схемы рис. 10.5,б коэффициент фильтрации получается существенно меньше:

Фn = Q2 (1 – 1/n2).

При проектировании устройств согласования в дальнейшем следует придерживаться следующей рекомендации: в продольные ветви четырехполюсников включать индуктивности, а в поперечные – конденсаторы.

Пример расчета элементов Г- образного четырехполюсника.

Выполняется расчет четырехполюсника, схема которого изображена на рис. 10.5,а, по следующим исходным данным:

RН = 10 Ом, сопротивление коллекторной нагрузки RК = 100 Ом, рабочая частота передатчика f = 20 МГц.

1 Определяем добротность цепи L1, RН:

Q = RK RH − 1 = 10010 − 1 = 3; 2. Сопротивление индуктивности L1;

XL1 = RН Q = 10 × 3 = 30 Ом 3. Сопротивление конденсатора XС1:

XC1 = XL1(1 + 1/Q2) = 30(1 + 1/9) = 33,33 Ом. 4. На частоте 20 МГц номиналы элементов:

L1 = 0,238 мкГн; C1 = 238 пФ. 5. Коэффициент фильтрации второй гармоники:

Ф2 = Q2 (n2 – 1) = 32 (22 – 1) = 27 В децибелах Ф2 = 14 дБ

П- образный четырехполюсник как трансформатор сопротивлений

Реактивный четырехполюсник, схема которого приведена на рис. 10.6, в отличие от Г - образного может трансформировать сопротивление нагрузки RН в большую и меньшую величину. Кроме этого, два конденсатора в поперечной ветви схемы обеспечивают повышенный коэффициент фильтрации высших гармоник.

Рис. 10.6

54

Расчет элементов П-образной цепи связи строится на базе соотношений, полученных при анализе Г-образного четырехполюсника.

Разделим индуктивность L1 на две части – L1′ и L1′′ (рис. 10.7). П-образная схема теперь представлена двумя Г-образными цепями, которые трансформиру-

ют RН в RК через промежуточное сопротивление R0. Четырехполюсник L1′′ , C2
преобразует RН в R0, затем с помощью четырехполюсника L1′ , C1 сопротивле-
ние R0 трансформируется в RК. Для того, чтобы П-образный четырехполюсник
был физически реализуемым, сопротивление R0 следует выбирать из условий:
R0 < RН и R0 < RК.	(10.8)

Рис. 10.7.

Расчет элементов П - образного четырехполюсника по заданным RН , RК и рабочей частоте f можно выполнить в следующем порядке:

1.Выбираем величину R0 из условия (10.8).

2.Находим добротность цепи С2 , RН: Q = RH R0 − 1;

3.Определяется величина XC2: XC2 = RН / Q2 ;

4.Рассчитывается XL1′′: | XL1′′| = XC2 / (1 + 1/Q22 );

5.Добротность цепи L1′ , R0 : Q1 = XL1′ / R0 = RK R0 − 1;

6.Сопротивление индуктивности L1′ : XL1′ = Q1 R0;

7. Находим XC1: | XC1| = X	L1′	(1 + Q2 );
		1

8. Сопротивление XL1 = XL1′ + XL1′′;

Далее по известным реактивным сопротивлениям элементов цепи и рабочей частоте f находятся номиналы конденсаторов С1, С2 и индуктивности L1.

Изложенная выше методика расчета П-образного четырехполюсника свидетельствует о том, что номиналы его элементов зависят от выбора R0. При вариациях R0 сохраняется величина коэффициента трансформации сопротивления нагрузки, но изменяется полоса пропускания устройства согласования и, соответственно, коэффициент фильтрации гармоник.

Рекомендуется для расчета Г - , П - , Т - образных четырехполюсников использовать компьютерную программу RFSimm99 (и другие, не требующие лицензирования), которая позволяет не только рассчитать параметры этих цепей, но и анализировать их амплитудно-частотные характеристики.

Следует подчеркнуть еще раз, что рассмотренные выше реактивные четырехполюсники используются как согласующие устройства в узкой полосе

55