АДАПТИВНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Адаптивный высокочастотный генератор относится к области радиотехники и может быть использован при работе на нагрузку с изменяющимися параметрами.
При работе генераторов высокочастотных сигналов на различные нагрузки или на нагрузку с изменяющимися параметрами необходимым условием является наличие согласования выходного сопротивления генератора и входного импеданса нагрузки. В случае отсутствия согласования часть энергии высокочастотного сигнала отражается обратно к генератору. Это приводит к тому, что в нагрузку отдается меньшая мощность, энергетический режим работы генератора значительно меняется, отклоняясь от номинального, в результате чего мощность, выделяющаяся на активном элементе оконечного каскада, может превысить допустимую и элемент выйдет из строя из-за перегрева.
Кроме того, при значительном коэффициенте отражения от нагрузки (при значительной отраженной мощности) активный элемент оказывается нагруженным не на номинальную чисто активную нагрузку, а на нагрузку комплексного характера, где активная часть значительно отличается от номинальной, а реактивная часть нагрузки может достигать большой величины. В результате возможны значительные перенапряжения, и активный элемент выйдет из строя из-за превышения предельно допустимых параметров.
Высокочастотные генераторы способны работать на существенно несогласованную нагрузку лишь при значительном недоиспользовании энергетических возможностей, когда вырабатываемая мощность значительно меньше номинальной, и уровни сигналов также значительно ниже предельно допустимых. Это возможно в случае, если при этом значительно снижается напряжение питания и значительно уменьшается величина сигнала возбуждения, т.е. напряжения, поступающего с предыдущего (предоконечного) каскада. Если же при происшедшем рассогласовании напряжение питания, сигналы возбуждения остаются прежними, генератор может выйти из строя.
Контроль обрыва нагрузки путем подачи в кабель постоянного напряжения одновременно с высокочастотным сигналом и измерении величины протекающего постоянного тока, имеет ограниченное применение и говорит только об одном возможном варианте аварии нагрузки.
Одним из путей снижения подобных вредных последствий является применение адаптивных цепей согласования, предложенных в устройствах (см. авторское свидетельство СССР №1743319 на «Газовый лазер» авторов Липатова Н.И., Минеева А.П., Полушина П.А., Пшеничникова В.И и Самойлова А.Г., оп. БИ №23, 1992 или патент РФ №2056683 на «Газовый лезер» авторов Минеева А.П., Полушина П.А., Самойлова А.Г. и Самойлова С.А., оп. БИ №8, 1996).
Цепи содержат высокочастотный генератор, направленный ответвитель и блоки подстройки реактивными элементами цепей согласования. При возникновении рассогласования из-за изменений импеданса нагрузки параметры реактивных элементов цепи согласования меняются таким образом, чтобы трансформировать изменившееся значение импеданса нагрузки опять в значение, согласованное с выходным сопротивлением генератора.
Однако диапазон подстройки импеданса ограничен возможностями изменений значения емкости варикапов, которые используются в качестве элементов с регулируемыми реактивностями. При больших изменениях импеданса нагрузки подстройка реактивностей регулируемых цепей согласования не даст результата, так как потребует диапазона изменений значений реактивностей, практически не осуществимых. Относительно невелика и максимальная мощность высокочастотного сигнала, с которым могут работать варикапы. А в случае, например, обрыва нагрузки или короткого замыкания применение цепи согласования в принципе неэффективно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в книге: Алексеев О.В., Головков, Полевой В.В., Соловьев А.А. «Широкополосные радиопередающие устройства», М.:, Связь, 1978, глава 13. Они содержат оконечный и предоконечный усилитель и предыдущее каскады усиления, источник питания, регулируемый источник питания с измерителем мощности, датчики мощности, датчик отраженной мощности, схему вычитания, пороговые устройства и отключающее устройство.
В устройстве измеряется мощность, рассеиваемая в оконечном каскаде, а также при появлении наведенного сигнала от другого передатчика питание оконечного и пред оконечного каскадов отключается.
Недостатки прототипа заключаются в следующем. При изменениях нагрузки меняется отраженная мощность, а, следовательно, меняется и мощность, потребленная нагрузкой. Однако контроль необходимого в большинстве случаев постоянства мощности, отдаваемой в нагрузку, не производится, что нарушает требования потребителя. Кроме того, в условиях частых резких изменениях импеданса нагрузки (например, в промышленном применении при различных технологических процессах) частые отключения генератора ведут к его быстрому выходу из строя.
Кроме мощности, рассеиваемой на активном элементе, необходим постоянный отдельный контроль величины отраженной мощности, так как ее уровень говорит об отличиях эквивалентной величины и характера сопротивления, на которое работает оконечный усилительный каскад, от номинальной величины активного сопротивления. Эти отличия служат причиной появления перенапряжений и выхода активного элемента усилительного каскада из строя.
Особенности эксплуатации генератора могут потребовать изменения величины мощности, отдаваемой в нагрузку, например, в соответствии с особенностями технологического процесса или расписанием работы радиопередающего устройства. Прототип не обеспечивает такой возможности одновременно с постоянным соблюдением условия защиты от превышения рассеиваемой мощности и от перенапряжений.
При приближении к опасным значениям параметров нагрузки необходимо снижать напряжение питания оконечного каскада, но одновременно соответствующим образом снижать уровень сигнала возбуждения с предыдущего каскада. Отключение же оконечного каскада при сохранении сигнала возбуждения может также служить причиной выхода из строй активного элемента в оконечном каскаде.
В результате этого применение устройства-прототипа в условиях значительно изменяющейся нагрузки снижает надежность работы и может привести к необратимым повреждениям.
Задачей данной полезной модели является повышение надежности работы высокочастотного генератора при работе на нагрузку изменяющимися параметрами.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее оконечный каскад, предоконечный каскад, блок предыдущих каскадов, нагрузку, регулируемый источник питания, измеритель мощности, первый вычитатель, первое и второе пороговые устройства, введены второй и третий вычитатель, сумматор, двунаправленый ответвитель, первый и второй квадратичные детекторы, интегратор и регулируемый источник напряжения, при этом блок предыдущих каскадов через последовательно соединенные предоконечный усилитель, оконечный усилитель и двунаправленный ответвитель соединены с нагрузкой, измерительные выходы двунаправленного ответвителя через первый и второй квадратичные детекторы соединены с первым и вторым входами первого вычитателя, а его выход - со вторыми входами второго вычитателя и интегратора, выход второго квадратичного детектора через первое пороговое устройство подключен к одному из входов сумматора, а выход второго вычитателя через второе пороговое устройство - к другому входу сумматора, выход регулируемого источника напряжения соединен с первым входом интегратора, а его выход - с первым входом третьего вычитателя, выход сумматора соединен со вторым входом третьего вычитателя, а его выход - со входом регулируемого источника питания, выход регулируемого источника питания подключен ко входу питания предоконечного каскада и через измеритель мощности - ко входу питания оконечного каскада, сигнальный выход измерителя мощности соединен с первым входом второго вычитателя.
На чертеже представлена структурная схема адаптивного высокочастотного генератора.
На чертеже обозначены: блок предыдущих каскадов 1, предоконечный каскад 2, оконечный каскад 3, двунаправленный ответвитель 4, нагрузка 5, первый 6 и второй 7 квадратичные детекторы, первый 8, второй 9 и третий 10 вычитатели, первое 11 и второе 12 пороговые устройства, сумматор 13, регулируемый источник питания 14, измеритель мощности 15, интегратор 16 и регулируемый источник напряжения 17.
Блоки устройства работают следующим образом.
Высокочастотный сигнал вырабатывается в блоке предыдущих каскадов 1, далее проходит через предоконечный усилитель 2 и оконечный усилитель 3, где он усиливается до требуемого уровня. Далее он поступает через двунаправленный ответвитель 4 на нагрузку 5. Двунаправленный ответвитель 4 построен на основе полозков или микрополозков, или на дискретных элементах. На одном из его измерительных выходов выделяется определенная доля высокочастотного сигнала, проходящего в прямом направлении от оконечного каскада к нагрузке, а на другом его измерительном выходе выделяется определенная доля высокочастотного сигнала, отраженного от нагрузки и проходящего в обратном направлении к оконечному каскаду. Оба сигнала подаются, соответственно, на первый 6 и второй 7 квадратичные детекторы. На их выходах вырабатываются напряжения, пропорциональные мощности, соответственно, прямого и отраженного сигналов.
Эти сигналы подаются на первый и второй входы первого вычитателя 8, где вырабатывается сигнал, равный разности напряжений его первого и второго входов. Этот сигнал поступает на второй вход интегратора 16. На первый вход интегратора 16 поступает напряжение с регулируемого источника напряжения 17. Регулируемый источник напряжения 17 служит для регулировки уровня высокочастотного сигнала, вырабатываемого оконечным каскадом 3. Требуемая регулировка осуществляется либо оператором, либо автоматически в соответствии с программой работы оконечного каскада (изменением уровня мощности сигнала, вырабатываемого оконечным каскадом, по заданному временному графику).
Интегратор 16 вырабатывает напряжение, пропорциональное интегралу по времени от разности напряжений на первом и на втором входе и может быть реализован, например, с помощью микросхемы операционного усилителя с противофазными входами.
Выходное напряжение с интегратора подается на первый вход третьего вычитателя 10, на второй вход которого поступает выходное напряжение с сумматора 13. В третьем вычитателе 10 образуется разность напряжений с его первого и второго входов соответственно. Выходное напряжение третьего вычитателя 19 подается на вход регулируемого источника питания 14. Этот блок служит источником питания для оконечного 3 и предоконечного 4 каскадов. Уровень напряжения, вырабатываемого им для питания этих каскадов регулируется в соответствии с управляющим сигналом на его входе, с возрастанием этого сигнала уровень вырабатываемого питающего напряжения увеличивается, с уменьшением управляющего сигнала уровень питающего напряжения снижается.
Питание от регулируемого источника питания 14 поступает на предоконечный каскад 2 непосредственно, а на оконечный каскад 3 - через измеритель мощности 15. Измеритель мощности 15 измеряет уровень мощности, потребляемой оконечным каскадом 3 от регулируемого источника питания 14. Его выходной сигнал, пропорциональный измеренному уровню мощности, поступает на первый вход второго вычитателя 9. На его второй вход поступает выходной сигнал с первого вычитателя 8. Во втором вычитателе 9 вырабатывается сигнал, равный разности входных сигналов с его первого и второго входов.
Первое 11 и второе 12 пороговые устройства работают следующим образом. Пока входное напряжение на входе любого из них не достигнет определенной пороговой величины (у каждого устройства своей), напряжения на их выходах равны нулю. Если соответствующая пороговая величина превышена, то на выходе соответствующего порогового устройства вырабатывается напряжение, пропорциональное разности входного и порогового напряжений этого порогового устройства. Коэффициенты пропорциональности различны в разных пороговых устройствах.
Выходные сигналы обоих пороговых устройств складываются в сумматоре 13, выходной сигнал которого равен их сумме.
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем.
ПР
ОТР
На одном из измерительных выходов двунаправленного ответвителя 4 вырабатывается сигнал, пропорциональный уровню прямого сигнала, проходящей от оконечного каскада 3 в нагрузку 5. В отсутствии аварийных ситуаций в нормальном режиме работы уровень высокочастотного сигнала, отраженного от нагрузки, невелик. Также невелик и уровень высокочастотного сигнала на другом измерительном выходе направленного ответвителя, пропорциональный отраженному сигналу. В соответствии с уровнями этих сигналов первый 6 и второй 7 квадратичные детекторы вырабатывают напряжения, пропорциональные величинам проходящей и отраженной мощности, соответственно, Р и Р.
Н
В первом вычитателе определяется разность этих напряжений и подается на интегратор 16. На другой вход интегратора подается напряжение с выхода регулируемого источника напряжения, соответствующее требуемой в данный момент мощности Р в нагрузке 5.
И
И
Н
ПР
ОТР
Напряжение U на выходе интегратора 16 пропорционально с соответствующим коэффициентом k пропорциональности величине разности сигналов на его входах, т.е. разности уровня требуемой в нагрузке мощности P и в реальности выделяющейся в нагрузке мощности, равной Р-Р,
ПР
ОТР
Н
И
Н
ПР
ОТР
И
И
Если уровень выделяющейся в нагрузке мощности Р-Р равен требуемому Р, то разность этих уровней равна нулю и напряжение U на выходе интегратора 16 не изменяется и сохраняет достигнутую ранее постоянную величину. Если величина требуемой в нагрузке мощности Р больше, чем мощность P-P отдаваемая генератором, то знак этой разности положителен, в результате чего величина напряжения U на выходе интегратора начинает возрастать. Если же величина мощности высокочастотного сигнала, отдаваемого в нагрузку, превышает требуемый уровень, то напряжение U на выходе интегратора 16 начинает уменьшаться.
При отсутствии аварийных ситуаций сигналы на входах пороговых устройств 11 и 12 не превышают соответствующих пороговых уровней и выходные напряжения этих пороговых устройств равны нулю. Выходное напряжение сумматора также равно нулю, поэтому при прохождении третьего вычитателя 10 сигнал интегратора не изменяется и подается на вход регулируемого источника питания 14 для управления его уровнем. При этом, если текущая мощность высокочастотного сигнала в нагрузке недостаточна, то уровень выходного напряжения интегратор 16 возрастает, при этом возрастает и уровень напряжения питания, вырабатываемого регулируемым источником питания 14. В результате возрастает мощность, вырабатываемая генератором, пока не будет достигнут в нагрузке необходимый ее уровень.
Если текущий уровень мощности в нагрузке превышает необходимый, то напряжение интегратора снижается, соответственно снижаются уровни питающего напряжения и вырабатываемой генератором мощности. В случае, если уровень выделяющейся мощности соответствуем требуемому, перестройка выходного напряжения интегратора прекращается, и прекращается и изменение мощности генератора.
Если оператор, управляющий работой генератора, изменяет в требуемом направлении величину напряжения регулируемого источника напряжения 17, то соответствующим образом изменится и уровень мощности, выделяющейся в нагрузке. Регулировка мощности может также производиться автоматически в соответствии с определенной программой, изменяющей уровень напряжения в регулируемом источнике напряжения 17.
Регулировка вырабатываемой мощности с использованием интегратора позволяет обеспечить требуемую точность подстройки. Как при включении генератора в начале работы, так и при переходе на разные уровни вырабатываемой мощности необходима определенная плавность регулировки. Она обеспечивается выбором соответствующего значения постоянной времени интегратора 16. Для обеспечения лучших энергетических режимов одновременно с изменением напряжения питания оконечного каскада 3 изменяется и питание предоконечного каскада 2, что вызывает изменение уровня сигнала возбуждения для оконечного каскада.
0
К
0
ПР
ОТР
К
Если уровень мощности, выделяющейся на активном элементе оконечного каскада 3, превышает определенную величину, то это может привести к перегреву и выходу из строя активного элемента. Для предотвращения этого осуществляется непрерывный контроль уровня мощности, выделяющейся на активном элементе. Для этого с помощью измерителя мощности 15 измеряется мощность P регулируемого источника питания 14, подводимая к оконечному каскаду 3. Далее во втором вычитателе 9 определяется разность P=P-(P-P) между этой мощностью и мощностью, поглощаемой в нагрузке. Эта разность определит текущую мощность, которая выделяется на активном элементе. Если P превысит допустимую величину, которая задается пороговым уровнем второго порогового устройства 12, то на выходе этого порогового устройства появляется напряжение, пропорциональное величине этого превышения. Оно проходит сумматор 13 и поступает на второй вход третьего вычитателя 10.
Коэффициент передачи второго порогового устройства 12 существенно выше, чем коэффициент передачи интегратора 16, поэтому уровень напряжения на выходе третьего вычитателя 10 существенно снижается независимо от текущего уровня выходного напряжения интегратора. При этом одновременно снижается напряжение питания и вырабатываемая оконечным каскадом мощность, предохраняя его активный элемент от перегрева. Коэффициент передачи порогового устройств выбирается таким образом, чтобы даже при максимальном уровне выходного сигнала интегратора при появлении опасности перегрева происходило резкое снижение вырабатываемой мощности до безопасного уровня. Поскольку сигнал о подобной опасной ситуации подается после интегратора, то плавность регулировки уровня, обеспечиваемая интегратором, не влияет на реагирование на опасную ситуацию, которая происходит с большой скоростью.
Другая возможность аварийной ситуации возможна, когда величина нагрузки сильно отличается от номинальной. При этом из-за рассогласования возникает большой коэффициент отражения и уровень отраженной мощности значителен. От нагрузки в сторону оконечного каскада распространяется значительная отраженная волна. На выходе оконечного каскада в результате ее сложения с прямой волной взаимные амплитудно-фазовые соотношения могут значительно изменить параметры эффективной нагрузки, на которую нагружен активный элемент (т.е. импеданс нагрузки 5 может в результате трансформации вдоль линии передачи значительно изменить свою величину и характер). Это может привести к появлению значительных перенапряжений или больших токов, также превышающих предельные величины в вызывающие повреждения активного элемента. Поэтому в случае появления отраженной мощности значительной величины величина питания оконечного каскада также снижается. Снижается величина питания и предоконечного каскада, чтобы уменьшить сигнал возбуждения оконечного каскада.
Для этого выходной сигнал второго квадратичного детектора, пропорциональный отраженной мощности, подается на первой пороговое устройство 11. Если его уровень превышает пороговую величину, то на выходе этого порогового устройства появляется сигнал, пропорциональный разности входного и порогового уровней. Этот сигнал проходит через сумматор 13 и подается на второй вход третьего вычитателя 10. Далее он, как и в случае возникновения перегрева, снижает напряжение питания и уровень выходной мощности оконечного каскада. Таким образом, не допускается работа оконечного каскада на большой мощности на несогласованную нагрузку.
Сигналы, вырабатываемые пороговыми устройствами 11 и 12 при обоих видах аварий, складываются в сумматоре 13 и вызывают снижение выходной мощности оконечного каскада, как при раздельном, так и при одновременном действии.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет обеспечивать требуемую величину мощности высокочастотного сигнала, отдаваемого в нагрузку даже при определенных допустимых отклонениях значения импеданса нагрузки от номинальной величины. Значение отдаваемой мощности плавно регулируется в широких пределах. При значительном отклонении импеданса нагрузки от номинальной величины (вплоть до обрыва или короткого замыкания нагрузки) оконечный каскад защищается снижением напряжения питания и амплитуды сигнала возбуждения. Также активный элемент оконечного каскада защищается от возможного перегрева.
В результате уменьшается возможность аварий и повышается надежность работы адаптивного высокочастотного генератора в условиях изменяющейся нагрузки.