Глава пятая. Особенности работы УРУ на несогласованную нагрузку

§ 19. Влияние рассогласования на величину выходной мощности

До сих пор при рассмотрении УРУ предполагалось, что усилитель нагружен на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению выходного звена анодной линии. В то же время во многих практически важных случаях представляет большой интерес чувствительность УРУ к изменению сопротивления нагрузки.

Особенно остро этот вопрос встает при использовании УРУ в качестве выходного каскада передатчика, работающего через фидер на антенную систему. Даже при использовании широкодиапазонных антенн антенный фидер не может быть идеально согласован во всем диапазоне частот, поскольку входное сопротивление антенны содержит значительную реактивную составляющую и изменяется в зависимости от частоты. Это в свою очередь приводит к изменению сопротивления нагрузки УРУ.

Здесь возникает вопрос: сколь сильно изменяется мощность, отдаваемая УРУ в антенну, и сохраняет ли усилитель широкополосные свойства при работе на нагрузку такого типа? Ответ на этот вопрос во многом определяет возможность использования УРУ при работе на нагрузку, которая может изменяться в весьма широких пределах (например, в качестве выходного каскада передатчика).

Степень рассогласования УРУ удобно характеризовать коэффициентом отражения где - "правое" характеристическое сопротивление выходного четырехполюсника анодной линии (рис. 28); - сопротивление нагрузки УРУ.

Учитывая слабую частотную зависимость характеристических сопротивлений, будем в дальнейшем ею пренебрегать. Тогда

- волновое сопротивление выходного четырехполюсника анодной линии.

Будем также предполагать (хотя это и необязательно), что усилитель соединен с нагрузкой с помощью фидера, причем волновое сопротивление фидера согласовано (например, с помощью широкополосного трансформатора) с волновым сопротивлением выходного звена анодной линии. В этом случае коэффициент отражения в фидере будет равняться р̇_н. Степень же рассогласования фидера обычно характеризуют коэффициентом бегущей волны КБВ, который связан с коэффициентом отражения следующим образом:

Рассмотрим теперь, как изменяются напряжения, ток и мощность на выходе УРУ при наличии рассогласования. При этом будем сперва предполагать, что все лампы работают в недонапряженном или критическом режиме (для этого, правда, придется изменить анодное напряжение по сравнению со случаем согласования).

В УРУ с однородной анодной линией отраженная от нагрузки волна пройдет по анодной линии и полностью поглотится в балластном сопротивлении R_б, так как R_б = ρ_а. Поэтому напряжение U̇_нр и ток İ_нр на выходе УРУ при рассогласовании определятся выражениями:

где U̇_н, İ_н - напряжение и ток на выходе УРУ при согласовании.

Выходная мощность УРУ

где Р_н - выходная мощность УРУ при согласовании.

Как видно из графика рис. 43, даже при весьма сильных рассогласованиях (КБВ = 0,4÷0,5) выходная мощность усилителя изменяется весьма мало. При этом, если КБВ ≤ 0,4÷0,5, усилитель сохраняет свои широкополосные свойства, так что неравномерность выходной мощности в диапазоне частот не превышает - 20%.

Рис. 43. Зависимость нормированной выходной мощности УРУ с однородной линией при рассогласовании от КБВ в нагрузочном фидере

Таким образом, с точки зрения изменения выходной мощности УРУ малочувствителен к рассогласованию. Это свойство УРУ выгодно отличает его от усилителей Других типов (например, корректированного усилителя, резонансного усилителя и др.) и обуславливает возможность применения его в качестве выходного каскада передатчика, работающего на широкодиапазонную антенну (КБВ ≈ 0,5÷0,7) без перестраиваемых элементов связи с последней.

Подчеркнем, что отмеченное свойство УРУ обусловлено согласованием анодной линии на "левом" конце. Следовательно, балластное сопротивление является при работе на несогласованную нагрузку принципиально необходимым элементом, причем следует весьма тщательно согласовывать анодную линию со стороны балластной нагрузки. В противном случае изменение выходной мощности будет значительно больше.

Перейдем к УРУ с неоднородной анодной линией. Для усилителей с полным подавлением обратной волны, у которых анодная линия разомкнута на "левом" конце, рассогласование вызывает весьма сильное изменение выходной мощности. Это обусловлено тем, что отраженная от нагрузки волна, пройдя анодную линию, полностью отражается на разомкнутом левом конце анодной линии. Возникающие таким образом многократные отражения и вызывают весьма сильное изменение выходной мощности даже при небольших коэффициентах отражения.

Поэтому представляет интерес усилитель с частичным подавлением обратной волны (см. § 16), у которого анодная линия согласована на левом конце балластным сопротивлением. Однако неоднородность части анодной линии такого усилителя будет существенно влиять на поведение УРУ при рассогласовании, поскольку отраженная от нагрузки волна, проходя неоднородный участок линии, частично отражается и вновь направляется в сторону нагрузки. Будем в дальнейшем учитывать лишь первичные отражения.

В этом случае напряжение на выходе усилителя при рассогласовании определится следующим образом:

где - напряжение на выходе усилителя при согласовании;

  - напряжение на выходе, создаваемое за счет первичных отражений волны, отраженной от нагрузки на стыках четырехполюсников с разным волновым сопротивлением, причем

где - постоянная распространения четырехполюсников анодной линии, определяемая выражением (9).

Учитывая, что волновые сопротивления ячеек неоднородного участка анодной линии определяются выражением (118), коэффициенты отражения ρ_i можно представить в следующем виде:

Подставив (183) в (182), получим

где

Аналогично можно найти выражение для тока через нагрузку при рассогласовании:

Мощность на выходе УРУ при рассогласовании

Таким образом, для рассматриваемого усилителя мощность при рассогласовании отличается от случая УРУ с однородной линией [выражение (181)] в F² раз, причем коэффициент F зависит от частоты.

На рис. 44 представлена зависимость отношения Р_н.р/Р_н от а ≈ 2mх для р_н = 0,4 и различных значений n₂/n. Графики этого рисунка были построены с помощью выражения (186) для наихудшего (с точки зрения изменения выходной мощности) случая, когда второе слагаемое в (185) вещественно и положительно (сплошные линии на рис. 44) или отрицательно (штриховые линии). Поскольку зависимость F² от a симметрична относительно а = 0,5π [см. формулу (185)], указанные графики построены только для значений a, лежащих в пределах 0 ≤ а ≤ 0,5π.

Рис. 44. Зависимость нормированной выходной мощности УРУ с частичным подавлением обратной волны от модуля постоянной распространения звеньев анодной линии для n = 12, Рн = 0,4 и различных n2/n

Как видно из рис. 44 и выражения (186), в области весьма низких частот (а → 0) и частот, близких к граничной (а → π), изменение выходной мощности при рассогласовании может быть существенно большим, чем для УРУ с однородной линией. Однако в средней части диапазона мощность изменяется так же мало, как и в УРУ с однородной линией.

Для оценки изменения мощности при рассогласовании для диапазона частот в целом удобно ввести среднеквадратическое отклонение Ḟ от единицы:

Если пренебречь р²_k, то последнее выражение можно привести к виду:

На рис. 45 представлена зависимость ΔF от n/n₂ для р_н = 0,4 и различных значений n₁. Как видно из выражения (188) и рис. 45, отклонение коэффициента F от единицы в среднем в диапазоне частот оказывается весьма малым, причем тем меньшим, чем больше общее число ламп усилителя n и доля ламп n₁, работающих на однородную линию. Поэтому можно утверждать, что для значений p_н, n и n/n₂, представляющих практический интерес, рассматриваемый усилитель в среднем оказывается малочувствительным к рассогласованию.

Рис. 45. Зависимость ΔF от отношения n/n₂ для р_н = 0,4 и различных n₁

Однако при р_н = 0,5÷0,3 и достаточно малых значениях h (< 0,3) усилитель при работе на несогласованную нагрузку "приобретает" полосовые свойства (рис. 44), так что изменение мощности при рассогласовании можно считать малым и лишь в некоторой полосе относительных частот х_н ≤ х ≤ х_в.

Ширину полосы частот можно определить различными способами, в зависимости от того, каковы требования к неравномерности выходной мощности. Определим эту полосу, используя введенный выше параметр ΔF. Для этого рассмотрим "идеализированную" полосовую зависимость Р_н.р/Р_н от а (штриховая линия 1 на рис. 44), которую можно задать следующим образом:

Идеализированная зависимость симметрична относительно а = π/2, следовательно, а_в = π - а_н.

Значение F(0) можно найти с помощью точной формулы для Р_н.р при а = 0 (х = 0) и вещественном р_н:

откуда

где h определяется выражением (121).

Примем теперь за полосу УРУ с неоднородной линией при работе на несогласованную нагрузку интервал частот, в котором коэффициент F_ид идеализированной зависимости равен единице, полагая при этом, что среднеквадратическое отклонение F и F_ид одинаковы. Согласно определению, имеем:

Подставляя в последнее выражение (188) и (189), получим:

Из выражения (9) находим:

Истинные значения нижней и верхней частот полосы можно найти по известной граничной частоте звеньев анодной линии:

Следует отметить, что полосовые свойства усилителя при работе на несогласованную нагрузку проявляются достаточно четко лишь при больших значениях n₂/n (>0,5). Поэтому введенное здесь понятие "полосы", а следовательно, и последняя формула, имеют смысл только для указанных значений n₂/n.

Как показывают расчеты, выражения (190) и (191) достаточно точно определяют полосу частот, в которой изменение мощности при рассогласовании будет малым. Так, для усилителей, графики изменения выходной мощности которых построены на рис. 44, согласно (190), имеем а_н = π/9 при n₂/n = 0,5, а_н = 9π/80 при n₂/n = ²/₃.

Как видно из рис. 44, для полосы, ограниченной указанными значениями а, уменьшение выходной мощности при р_н = 0,4 не превышает 30%.

При больших значениях n₂ нижняя частота полосы f_н.р может оказаться больше нижней частоты заданного рабочего диапазона. При этом изменение выходной мощности при рассогласовании на низкочастотном конце рабочего диапазона весьма велико. Для уменьшения f_н.р можно в четырехполюсниках неоднородной части анодной линии (рис. 28) использовать по два П-звена фильтра нижних частот [53].

В этом случае выражение для постоянной распространения а̇, входящей в формулу (185), имеет вид:

С учетом последнего выражения

Из сравнения (192) и (194) видно, что применение двух П-звеньев на каждый четырехполюсник неоднородной части линии примерно в два раза уменьшает f_н.р = x_нf_га. Однако при этом частота, соответствующая значению а = π, составляет при m = 1,4, согласно выражению (194), 0,56f_га, т. е. лежит примерно в середине полосы частот УРУ. На указанной частоте все отражения от стыков четырехполюсников неоднородного участка линии оказываются синфазными в нагрузке, что приводит к значительному изменению мощности при рассогласовании (такому же, как на частоте, близкой к нулю). Во избежание этого средний четырехполюсник неоднородного участка линии составляется из одного П-звена фильтра нижних частот [53].