Квадратурные мосты сложения и деления мощностей
Широкое применение в современных генераторах, благодаря ряду полезных свойств, находят квадратурные мосты, используемые в качестве сумматоров и делителей мощности. В качестве простейшего квадратурного моста используется «трёхдецибельный» направленный ответвитель (НО), который представляет собой две линии (коаксиальных, или полосковых) связанных на интервале λ/4 и нагруженных на согласованные нагрузки (см. рисунок 4.35).
Рисунок 4.35 — 3х-дБ направленные ответвители
Генератор подключён ко входу 1. В линии 1 – 2 протекает ток I1.
За счёт магнитной связи между линиями в линии 3 – 4 наводится ток Iм, а
за счет электрического поля через взаимную ёмкостную связь токи Ic. Подбором волнового сопротивления линии и расстояния между линиями на участке взаимодействия можно добиться компенсации наведённых токов на входе 4. Н а входе 3 наведённые токи соответственно сложатся. Если при этом длина участка взаимодействия составит λ/4, то мощность генератора поделится поровну между входами 2 и 3. Таким образом, мощность на выходе линии 3 – 4 составит половину мощности генератора, т.е. будет ослаблена по отношению к мощности генератора на 3 дБ (отсюда и название НО).
В схеме представленной на рисунке 4.35, НО используется в качестве устройства деления мощности, причем входы 1 и 4 взаимно развязаны, а напряжения на них сдвинуты по фазе на 90°.
Наличие двух взаимно развязанных входов позволяет использовать НО в качестве моста сложения мощностей. Для этого генераторы подключаются
к развязанным входам 1 и 4 ( см. рисунок 4.36)
Рисунок 4.36 – Квадратурный мост сложения мощностей
на связанных линиях
При выборе фазового сдвига напряжений генераторов равным 90° (как показано на рисунке 4.36), сигнал со входа 1 поступит на вход 3 с тем же фазовым сдвигом 0°, а на вход 2 с запаздыванием на 90°. Аналогично со входа 4 на вход 2 сигнал поступит со сдвигом 90°, а на вход 3 — 180°.
Таким образом, на входе 2 произойдет сложение мощностей и сюда должна подключаться полезная нагрузка. На входе 3 токи вычитаются и здесь должна быть включена балластная нагрузка. Поскольку для сложения мощностей напряжения генераторов должны отличаться по фазе на 90°, мост получил название – «квадратурный».
У конструкции моста, представленной на рисунке 4.36, есть два недостатка осложняющих её практическое использование:
1. Генераторы располагаются по разные стороны моста. Схема становится асимметричной, что может вызвать дополнительные фазовые сдвиги, нарушающие работу устройства.
2. В полосковом исполнении, для обеспечения необходимой ёмкостной связи, зазор между линиями оказывается слишком узким, что может привести к электрическому пробою.
Первый недостаток на практике устраняется скрещиванием линий (см. рисунок 4.37). В этом случае одна линия разрывается и её части
Рисунок 4.37 – Квадратурный мост со скрещенными линиями
Для усиления связи между линиями на них можно наложить металлические бруски и проложить между ними диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной, как показано на рисунке 4.38. При этом можно существенно увеличить ёмкость связи между линиями при технологически приемлемом зазоре. Такая конструкция может применяться и в скрещенном варианте
Рисунок 4.38 – Квадратурный мост с увеличенной ёмкостью
связи между линиями
Другой путь усиления связи между линиями заключается в увеличении длины участка взаимодействия. В конструкции «тандем» длина участка взаимодействия увеличивается за счет последовательного включения двух НО ( см. рисунок 4.39а). Значительно увеличить ёмкость связи удаётся в конструкции «на встречных стержнях» (рисунок 4.39б)
Рисунок 4.39 – Варианты квадратурных мостов
В настоящее время наибольшее применение находят мосты на встречных стержнях. В частности, конструкция на рисунке 4.39б известна под названием «мост Ланге». Основной недостаток последних мостов — необходимость очень высокой точности изготовления. Достаточно отметить, что зазор между линиями может составлять величину порядка 0,1 мм.
Помимо мостов на связанных линиях применение находят и так называемые «квадратные» квадратурные мосты. Один из вариантов такого моста в полосковом исполнении и его аналог на сосредоточенных элементах представлены на рисунке 4.40а
Рисунок 4.40а — Варианты квадратурных мостов
В сторону балластной нагрузки сигналы от генераторов приходят в противофазе, поэтому кажущееся сопротивление на входе 2 равно 0. Соответственно входное сопротивление участка 1 – 2 и 4 – 2 равно ∞. Поэтому токи генераторов в сторону Rн протекают только по участкам 1 – 3 и 3 – 4. Входное сопротивление линии 3 – 4 в этом случае определяется выражением
Rвх3=2
Полагая Rвх1= Rвх3=Rн= Rб, решим систему уравнений (4.25) относительно W1 и W2. В результате получим
W1= Rн ; W2
В аварийной ситуации (например при коротком замыкании в генераторе на входе 1), линии 2 – 1 и 3 – 1 будут представлять собой «металлические изоляторы» и их можно исключить из рассмотрения схемы моста для этого случая. В результате получим следующую схему (рисунок 4.41).
Рисунок 4.41 – Схема моста в аварийной ситуации
Определим входное сопротивление моста, полагая, что выполняются условия (4.16)
Подставляя в эти выражения соответствующие значения Rб, W1, W2, окончательно получим
Следует отметить, что при соответствующем выборе волновых сопротивлений линий моста, возможна также трансформация сопротивления нагрузки, т.е.
На рисунке 4.40б представлен аналогичный мост на сосредоточенных элементах, в котором используется известное свойство цепи, аналогичной фильтру нижних частот, поворачивать фазу выходного напряжения на 90º . Звенья соответствующие W1 и W2 представлены на рисунке 4.42
Рисунок 4.42 – LC звенья аналогичные линиям
длиной λ/4 с волновыми сопротивлениями W1,W2
Параметры звеньев выбираются следующим образом:
В схеме на рисунке 4.40б С=С1+С2.
Применение находят и комбинированные схемы моста, когда за счет подключения на входах моста из полосковых линий дополнительных емкостей удается значительно сократить длину линий.
Квадратурные мосты используются при построении «балансных» схем транзисторных усилителей. Такая схема представлена на рисунке 4.43.
Благодаря использованию квадратурного моста на входе, даже при комплексном входном сопротивлении транзисторов, входное сопротивление усилителя оказывается чисто активным, т.к. мощность отраженной волны в этом случае рассеивается в балластной нагрузке и не попадает на вход уси-
лителя. Аналогичная картина имеет место на выходе усилителя.
Рисунок 4.43 – Балансный усилитель мощности
При комплексном характере сопротивления нагрузки усилителя, мощность отраженной волны поглощается в балластной нагрузке и не попадает в коллекторные цепи усилителя. В результате сопротивление коллекторной нагрузки оказывается чисто активным. Следует однако заметить что эти рассуждения справедливы, если входные и выходные сопротивления транзисторов одинаковы. В связи с этим, в подобных усилителях используют специальные «балансные» транзисторы. Балансный транзистор (БТ) представляет собой два транзистора выполненные на одном кристалле и в одном корпусе. Поэтому разброс параметров у таких транзисторов минимален.
Кроме того, в корпусе балансного транзистора могут быть встроены корректирующие и согласующие цепи, обеспечивающие стандартные сопротивления 50 Ом на входе и выходе транзисторов. В последнем случае балансные транзисторы выпускают на определённый диапазон частот.
Источник
Системы сложения мощности передатчиков
При построении многоканальных систем УКВ радиосвязи, как правило, нет возможности установить антенны для каждого передатчика отдельно. Во-первых — просто для этого не хватит места, во-вторых — система связи будет очень дорогой. Кроме этого такая система при передаче рождает огромное количество интермодуляционных помех. На помощь приходят комбайнерные системы (или по-другому — системы сложения мощности), предназначенные для сложения мощности нескольких передатчиков на одну антенну.
Существуют два типа комбайнерных систем — гибридные и резонаторные. Независимо от типа они вносят определенные потери в передающий сигнал. Однако это может быть скомпенсировано повышением мощности передатчиков и применением антенны с большим усилением.
Гибридные комбайнерные системы
Наиболее простыми являются гибридные комбайнерные системы (с использованием обычных сумматоров). Их преимущество заключается в том, что они позволяют использовать любой частотный разнос между каналами. Однако, при использовании гибридных систем, приходиться терять как минимум 50% мощности на каждом двухканальном мосте сложения. Получается, что если мы складываем два канала, к антенне мы можем подвести только 50% мощности от каждого канала, если складываем 4 канала, то к антенне мы можем подвести только 25% мощности от каждого канала, если складываем 8 каналов, то к антенне мы можем подвести только 12.5% мощности от каждого канала.
И это лишь с учетом потерь на сумматорах. Добавив к этому потери на ферритовых изоляторах, фильтрах и ВЧ соединениях ситуация усугубиться. Практически, используя 8-канальный гибридный комбайнер и передатчики мощностью по 100 Вт, на антенном выходе будет не более 6-7 Вт от каждого канала. Добавим затухание в фидере между комбайнерной системой и антенной и получим мощность около 4 Вт. Именно поэтому, при использовании гибридных комбайнеров максимальное число каналов не превышает 8-ми.
Резонаторные комбайнерные системы
Резонаторные комбайнерные системы (по-другому их также называют фильтровыми или cavity комбайнерами) имеют меньшее затухание сигнала. При этом, чем больше расстояние по частоте будет между соседними каналами, тем меньше будет вносимое комбайнерной системой затухание. Однако резонаторные комбайнеры не могут быть использованы при частотном разносе между каналами менее 50-300 кГц (в зависимости от диапазона и конструктивного исполнения).
С помощью резонаторных комбайнерных систем можно строить системы связи с числом каналов от 3-х и более (вплоть до 15-20). Но и для них есть пределы по максимальному числу каналов. В реальной жизни, при падении мощности, подводимой к антенне до уровня 4-6 Вт от каждого канала, принимается решение о необходимости установки второй комбайнерной системы и соответственно второго фидера и второй антенной системы. Это связано с необходимостью поддержки баланса между мощностью портативных радиостанций (4-5 Вт) и излучаемой мощности передатчиков центрального оборудования. Если в вашей системе связи работают абоненты, использующие автомобильные радиостанции, то желательно чтобы уровень мощности на выходе комбайнерной системы от каждого канала был не ниже 15-20 Вт.
Традиционно, практически все они строятся по принципу «звезда», однако это налагает некоторые неудобства при их расширении.
Совершенно другой запатентованный способ соединения резонаторов (T-Pass®) использует компания TX RX Systems, который максимально облегчает расширение комбайнерной системы. При добавлении очередного канала, какая либо модификация существующей части комбайнерной системы совершенно не требуется.
Принцип работы такого комбайнера, несмотря на кажущуюся сложность, очень простой. На схеме обозначены назначения выводов нижнего резонатора. (1) — входной разъем стандартной заземленной полосовой петли, (2) и (3) — вход и выход проходной петли, (S) — короткозамыкатель. Для остальных резонаторов, которые могут добавляться постепенно по мере необходимости, необходимо обеспечить лишь одно условие — чтобы вход (2) по ВЧ сигналу оказался короткозамкнутым. Этого можно достичь, если сумма длин всех отрезков коаксиальных соединителей, идущих вплоть до короткозамыкателя, с учетом длин проходных петель, будет равна целому числу длин полуволн относительно частоты добавленного канала.
Составные части систем сложения мощности
В состав всех современных систем сложения мощности входят ферритовые изоляторы, приемный усилитель-распределитель и полосовые фильтры на прием и передачу.
Неотъемлемой составной частью каждой комбайнерной системы являются ферритовые изоляторы (или по-другому вентили). Их использование сводит к минимуму интермодуляционные помехи, которые возникают в эфире при одновременной работе нескольких передатчиков. Они ставятся в разрыв между передатчиком и системой сложения мощности и пропускают сигнал от передатчика к системе сложения мощности, блокируя сигналы от других передатчиков в обратную сторону.
Приемный усилитель-распределитель обеспечивает разделение сигнала, принятого антенной, по всем приемникам, входящих в состав радиосистемы. Так как структура приемного распределителя очень похожа на гибридный комбайнер, только работает в обратную сторону, то и вносимое им затухание возрастает с ростом числа каналов (в идеале 2 канала — 3 дБ, 4 канала — 6 дБ, 8 каналов 9 дБ, и т.д.). Для компенсации внесенного приемным распределителем затухания перед ним включают малошумящий усилитель (МШУ), коэффициент усиления которого должен скомпенсировать затухание, вносимое приемным распределителем. МШУ представляет собой высоколинейный однокаскадный малошумящий усилитель с Кус от 10 до 20 дБ в зависимости от модели. Во избежание перегрузки входных цепей приемников для ограничения усиления МШУ используются аттенюаторы различных номиналов.
В большинстве случаев для упрощения монтажа и уменьшения стоимости радиосистемы используется одна антенная система для приема и передачи. Для этого в состав комбайнерной системы включается полосовой антенно-разделительный фильтр. Такое решение при небольшом количестве каналов (до 6-ти) не ухудшает характеристик радиосистемы. При большем количестве каналов или при недостаточном разносе частот приема и передачи желательно использовать раздельные приемную и передающую антенны, для чего в состав комбайнерной системы включаются два раздельных полосовых фильтра на прием и передачу.
В зависимости от числа каналов, разноса частот между ними и других факторов в проектируемых многоканальных радиосистемах мы используем комбайнерные системы различного типа и различных производителей. Как правило, это резонаторные системы T-Pass® компании TX RX Systems, а иногда это резонаторные и гибридные системы компаний EMR и Telewave.
Источник