5.2.2 Двухконтурная цепь связи

Двухконтурные цепи связи рекомендуется использовать в выходных каскадах, работающих на комплексную нагрузку. Коэффициент полезного действия такой цепи зависит от активного сопротивления нагрузки (фидера или антенны) и может иметь значения от 0,05 до 0,95. Наименьшая величина коэффициента полезного действия получается при работе на короткую антенну, длина которой меньше четверти рабочей длины волны. При сопротивлении нагрузки 50 Ом и более коэффициент полезного действия достигает значения 0,8 … 0,95.

Схемы двух вариантов двухконтурной цепи связи приведены на рис. 8.

В приведенных схемах Х₂ - реактивная составляющая сопротивления нагрузки, Х_н - реактивность, с помощью которой нагрузка настраивается в резонанс.

Второй контур образуется настроечной реактивностью связи Х_н и реактивностью нагрузки Х₂.

Полное сопротивление нагрузки:

Z₂=R₂+jX₂

С₁ L¹₁ Х_н Х₂ R₂

L¹¹₁

Рис. 8а.

С¹₁ Х_н Х₂ R₂ L₁

С¹¹₁

Рис. 8б. Двухконтурная цепь связи.

Расчет элементов схемы начинается на максимальной рабочей частоте f_мах.

1) Задаемся величиной общей емкости промежуточного контура С_мин:

для рис. 8а С_мин=С_вых + С_м + С_1мин =(2 … 3)l

для рис. 8б С_мин=С_вых + С_м + С¹₁С¹¹₁/(С¹₁ +С¹¹₁)=(2 … 3)l

где С в пикофарадах, l в метрах.

2) Вычисляем общую индуктивность промежуточного контура L₁:

для рис. 8а L₁=(L¹₁+L¹¹₁)=1/((2pf_мах)²С_мин)

для рис. 8б L₁=1/((2pf_мах)²С_мин)

3) Задаемся добротностью холостого хода:

Q_хх=150 - 200

4) Вычисляем сопротивление потерь r₁ промежуточного контура:

r₁=1/(2pf_махQ_ххС_мин)

5) Задаемся коэффициентом полезного действия h_к промежуточного контура:

h_к=0,7 … 0,95

6) Вычисляем номиналы элементов связи:

L¹¹₁=Х_св/(2pf_мах)

С¹¹₁=1/(2pf_махХ_св)

где Х_св - реактивность связи:

Х²_св=R₂r₁h_к/(1-h_к)

7) Вычисляем номиналы элементов контура:

С¹₁=С¹¹₁С_мин/(С¹¹₁ - С_мин)

L¹₁=L₁ - L¹¹₁

8) Вычисляем реактивное сопротивление элемента настройки Х_н:

Х_н= - (Х_св+Х₂)

В зависимости от знака полученного элемента настройки рассчитывается значение емкости конденсатора или индуктивности катушки:

L_н=Х_н/(2pf_мин), при Х_н>0;

С_н=1/(2pf_минХ_н), при Х_н<0.

9) Вычисляем коэффициент фильтрации высших гармоник (одинаков для обеих схем рис. 8):

Ф_nf(дБ)=20lg{n²Q_нQ₂(1-1/n²)²}

где Q_н - нагруженная добротность промежуточного контура;

Q₂ - нагруженная добротность выходной системы,

Q_н=R₁/(2pf_махL₁)

Q₂=Х₂/R₂

10) Если работа каскада происходит в полосе частот, то проводится расчет элементов связи на минимальной частоте диапазона f_мин и тем самым определяются пределы, в которых необходимо изменять индуктивность L¹¹₁ и емкость С₁ (для рис. 8а), - индуктивность L₁ и емкость С¹¹₁ (для рис. 8б) и реактивный элемент Х₂.

Если контур в выходную цепь активного прибора включен частично, тогда под сопротивлением R₁ следует понимать оптимальное сопротивление нагрузки активного элемента R_экв, пересчитанное к колебательному контуру:

R_экв=R₁(2pf_махL₁)²

С учетом этого пересчета расчет элементов схемы согласования ведется по вышеприведенной методике.

5.2.3. Г - образная цепь связи

Г - образная цепь состоит из двух реактивных элементов с разными знаками проводимости и может использоваться для связи транзисторных каскадов с низким входным сопротивлением (единицы Ом). Г - образная цепь позволяет согласовывать выходное сопротивление данного каскада R₁ с сопротивлением нагрузки R₂ при следующих условиях:

R₁> R₂

Один из вариантов реализации Г - образной цепи изображен на рис. 9.

L₂

С₁ R₂

Рис. 9. Г - образная цепь.

Порядок расчета Г - образной цепи следующий:

1) Вычисляем коэффициент трансформации сопротивлений N_R:

N_R=R₁/R₂

2) Вычисляем добротность цепи:

3) Вычисляем значения реактивных элементов:

L₂=Q_гR₂/(2pf)

С₁=Q_г/(2pfR₁)

4) Вычисляем коэффициент полезного действия h_г:

h_г=1/[1+0,5N_R/Q²_хх+N²_R((0,25N^0,5_R/Q²_хх +1)^0,5)/Q_хх]

где Q_хх собственная добротность индуктивности цепи.

5) Вычисляем полосу пропускания П:

П=f/Q_г

6) Вычисляем коэффициент фильтрации Ф_nf:

Ф_nf (дБ)=-20lg{[(n²-1)(N_Rh_г)^0,5]}.

При окончательном выборе индуктивности и емкости следует учитывать, что в рассчитанное значение емкости входит выходная емкость С_вых активного элемента, а в рассчитанное значение индуктивности входит индуктивность входного вывода L_вх следующего активного элемента, поэтому в схему устанавливаются элементы с номинальными значениями

L₂=Q_гR₂/(2pf) - L_вх

С₁=Q_г/(2pfR₁) - С_вых

Менее распространена Г - образная цепь с последовательно включенной емкостью и параллельно включенной индуктивностью, имеющая меньший коэффициент фильтрации. Т - образная цепь образована встречным соединением двух Г - образных цепей, поэтому расчет ее проводится по аналогии с вышеприведенным.

5.2.4. П - образная цепь связи

П - образная цепь широко используется для связи выходных каскадов передатчика с антенной, обеспечивая хорошую фильтрацию высших гармоник при малом числе реактивных элементов схемы. Один из вариантов П - образной цепи приведен на рисунке (рис. 10).

L₂

С₁ С₃ R₂

Рис. 10. П - образная цепь.

П - образная цепь позволяет согласовывать выходное сопротивление данного каскада R₁ с сопротивлением нагрузки R₂ при произвольном их соотношении:

R₁> R₂ и R₁ < R₂.

Удобные в конструктивном отношении элементы П - образной цепи получаются при коэффициенте трансформации сопротивлений, находящемся в интервале от 2 до 20 и значениях сопротивления нагрузки

R₂=(50…300) Ом

При меньших значениях R₂ и R₁ величины емкостей получаются большими, что затрудняет окончательную настройку цепи согласования.

П - образная цепь характеризуется коэффициентом трансформации сопротивлений N_R и нормированными сопротивлениями а₁, а₂ и а₃ :

N_R=R₁/R₂

а₁=wС₁R₂

а₂=wL₂/R₂

а₃=wС₃R₂

а₁=(N_R(1+а₃²)-1)^0,5/N_R

а₂=(а₃+(N_R(1+ а₃²)-1)^0.5)/(1+ а₃²).

Коэффициент полезного действия П - образной цепи определяется собственной добротностью Q_хх используемой индуктивности L₂

h=Q_хх/(Q_хх+N_Rа₁+а₃)

Q_хх=wL₂/r

где r - активное сопротивление катушки индуктивности L₂.

Коэффициент фильтрации высших гармоник П - образной цепью определяется соотношением

Ф_nf (дБ)=10lg{N_R[(1-n²а₁а₂)²+n²(а₁+а₃-n²а₁а₂а₃)²]}.

Рекомендуется следующий порядок расчета элементов П - образной цепи:

1) Вычисляем коэффициент трансформации сопротивлений N_R:

N_R=R₁/R₂

2) По известным N_R и Ф_nf с помощью формул или графиков определяем а₃ (Приложение 12).

3) Вычисляем нормированные сопротивления а₁ и а₂:

а₁=(N_R(1+а₃²)-1)^0,5/N_R

а₂=(а₃+(N_R(1+а₃²)-1)^0.5)/(1+а₃²).

4) Вычисляем элементы цепи С₁, L₂ и С₃:

С₁=а₁/(wR₂)

L₂=а₂R₂/w

С₃=а₃/(wR₂)

Если полученное в результате расчетов значение индуктивности L₂ окажется малым для конструктивного исполнения (меньше одного витка), то ее можно увеличить до любой желаемой L₂ + L¹₂ величины и включить последовательно с ней конденсатор С¹₂ такой величины, чтобы он компенсировал добавленное значение индуктивности:

wL¹₂ = 1/(wС¹₂)

При этом, рассчитывая коэффициент фильтрации, вместо а₂ следует подставлять значение а¹₂ , определенное по следующей формуле

а¹₂=(nw(L₂ + L¹₂) - 1/(nwС¹₂))/N_R

5) После конструктивного расчета параметров цепи рассчитываем собственную добротность Q_хх и коэффициент полезного действия h:

Q_хх=wL₂/r,

h=Q_хх/(Q_хх+N_Rа₁+а₃),

6) Вычисляем полосу пропускания согласующей цепи:

Dw=w/Q_Н

где Q_Н - нагруженная добротность цепи

Q_Н=(wL₂)/(r+r_вн)

где r_вн - внесенное в цепь сопротивление

r_вн=R₂/(1+w²R²₂С²₃)

При ширине полосы пропускания, меньшей необходимого значения, необходимо принять меры к уменьшению добротности цепи, например путем уменьшения индуктивности, либо перейти к более сложной согласующей цепи.