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

связываются перемычками

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 . Поскольку на входе 3 токи генераторов синфазны, кажущееся сопротивление на входе 3 равно 2 . Соответственно на входе 1 сопротивление . Таким образом, входные сопротивления моста для генераторов

Rвх3=2 = ; Rвх1= (4.15)

Полагая Rвх1= Rвх3=Rн= Rб, решим систему уравнений (4.25) относительно W1 и W2. В результате получим

W1= Rн ; W2 (4.16)

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)

; , где ;

Подставляя в эти выражения соответствующие значения Rб, W1, W2, окончательно получим . Таким образом, имеют место все признаки электрического моста.

Следует отметить, что при соответствующем выборе волновых сопротивлений линий моста, возможна также трансформация сопротивления нагрузки, т.е. [ 7 ].

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.