Разработка и исследование унифицированных модулей широкополосных трансформаторов типа длинной линии (стр. 9 из 12)

Рис.2.18. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-15.

Таким образом, в результате проработки 15^ти вариантов широкополосных трансформаторов были выявлены наилучшие характеристики у ТДЛ-11 (К_Ш=8500) и ТДЛ-14 (К_Ш=8500) максимально удовлетворяющие требованиям технического задания.

Вывод: в результате исследований появилась необходимость выявить оптимальное решение между µ сердечника и количеством витков W, технологию намотки (плоская, скручиваемая, намотанная). Также получены следующие рекомендации по намотке ТДЛ:

Для расширения диапазона рабочих частот «вверх» - число витков должно быть минимальным, а сердечник – с меньшим диаметром.

ρ≈50 Ом (т.е. больший диаметр провода D≈0.52-1мм).

µ сердечника – максимальное.

Для расширения диапазона «вниз» µ необходимо снижать, а диаметр сердечника увеличивать.

Чем больше скруток, тем меньше ρ.

Чем толще провод, тем меньше ρ.

3. Анализ и исследование оптимального варианта ТДЛ

В общем решении задачи синтеза широкополосных трансформирующих цепей без потерь, служащих для согласования активных сопротивлений, можно выделить два этапа. Первый из них состоит в установлении принципа построения трансформатора, позволяющего определить его схемную структуру. Второй этап заключается в отыскании элементов цепи (значений индуктивностей и емкостей, волновых сопротивлений и длин линий). Во всех случаях для упрощения численных расчетов, повышения их точности и выявления общих закономерностей целесообразно установить пути аналитического определения возможно большего числа параметров.

Для дальнейшего исследования выбираем широкополосный трансформатор ТДЛ-11 и ТДЛ-14 поскольку они показали наилучшие характеристики. Критерием выбора послужил К_Ш=8500.

Как известно, для достижения наибольшей полосы рабочих частот в широкополосном трансформаторе должно быть выполнено условие постоянства волнового сопротивления по всей длине линии передачи.

Волновое сопротивление ТДЛ-11:

(3.1)

Волновое сопротивление ТДЛ-11:

(3.2)

Рассмотрим ТДЛ 1:3, нагруженный на входе и выходе (рис. 3.1). Для него дуальная схема приведена на рис.3.2.

Сопоставляя схемы на рис. и рис., видим, что они идентичны. Это означает, что схема рассматриваемого ТДЛ является самодуальной, т.е.

. Самодуальной будем называть структуру, дуальная которой тождественна исходной, имея в общем случае различающиеся параметры.

Для согласования при

необходимо, чтобы напряжение на выходе второй ступени ( ) было в 3 раза больше входного напряжения и имело обратный знак. Отсюда следует, что . В результате имеем систему уравнений:

, (3.3)

из которой следует, что

, а .

Соотношение волновых сопротивлений во взаимосвязи с сопротивлениями сигнала и нагрузки при бесконечной длине линий должно удовлетворять уравнению[1]:

; (3.4)

Из рассмотрения эквивалентной схемы ТДЛ на низкой частоте (рис. 3.3), получим для отношения мощности, выделяемой в нагрузке Р_Н, к номинальной мощности источника возбуждения Р_ВХ [1]:

; (3.5)

(3.6)

;

L- индуктивность первичной обмотки при частоте

.

Рис.3.3.

Приняв на нижней частоте диапазона f_Н допустимое уменьшение мощности на 3 дБ, получим для требуемой индуктивности первичной обмотки:

.

4. Разработка широкополосного высоколинейного экспериментального усилителя на основе выбранного оптимального ТДЛ

Необходимо разработать усилитель, функционирующий в диапазоне частот 0.01-100 МГц с усилением 12±1 дБ и динамическим диапазоном по нелинейности (интермодуляционным составляющим) второго и третьего порядков 90-120 дБ, допускающим уровень блокирующей помехи менее 1.5В, при котором δ_БЛ≤20%. Спроектировать в соответствии с требованиями, предъявляемыми к современным перспективным широкополосным усилителям (ШПУ). Усилитель в рабочем диапазоне частот имеет следующие технические показатели:

коэффициент усиления - 12±1 дБ;

коэффициент шума – не более 3.0 дБ;

входные и выходные сопротивления – в пределах 30-80 Ом;

сопротивления источника сигнала (генератора) и нагрузки – 75 Ом;

нелинейные искажения, оцениваемые динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка, - 90-120 дБ;

напряжение питания при токе потребления 100мА - 15±1В;

амплитуда блокирования помехи не менее 1.5В;

Рис.4.1. Принципиальная схема усилителя.

На основании проработки и анализа оптимальных технических решений, взят за основу усилитель на линейном транзисторе 2Т339А [А.С. №1166270 Авт. Невмержицкий Г.И., Сартасов Н.А., Симонтов И.М., Тихонов А.И. Бюл.25 07.07.85. Широкополосный усилитель], в результате чего разработан и исследован наиболее перспективный его вариант на входе и выходе которого включены выбранные ТДЛ-11 и ТДЛ-14 соответственно, волновое сопротивление (ρ) которых полностью определяет широкополосность усилителя. Принципиальная схема усилителя приведена на рис.4.1. В схеме использованы трансформаторы разработанные в разделе № 3.

Коэффициент усиления

,

где

и - соответственно действующее значение выходного и входного напряжений усилителя (при частоте ), измеряется в диапазоне частот по схеме рис.4.2. Экспериментальные данные сведены в таблицу 4.1.

Рис.4.2. Схема для измерения коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений усилителя.

Для достижения в ТДЛ максимальной широкополосности ДЛ согласуют с источником сигнала

и нагрузки , т.е. как со стороны входа, так и со стороны выхода усилителя.

,

где

и - соответственно действующее значение выходного и входного напряжений усилителя (при частоте ).

f,МГц	0,01	0,05	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
UВХ,мВ	21	24	70	86	72	60	45	35	50	60	82	88	78
UБ,мВ	5,0	8,0	23	32	28	28	25	27	26	27	24	14	16
UВЫХ,мВ	67,2	115	380	520	550	500	470	500	400	300	300	200	80
КЗ	48	55	58	62	64	65	65	60	62	60	58	45	43
КУ	3,2	4,8	5,4	6,0	7,6	8,3	10,4	14,3	8,0	5,0	3,6	2,3	1,02
ДКЗВЫХ,дБ	100	100,3	101,3	102,6	103,3	103,6	103,6	104	102,6	102	101,3	97	82,3
IP3ВЫХ	36,0	38,5	40	42,7	43	44,2	44,2	44,5	42,7	42	40	33,7	22,8
RВХ,Ом	6,0	23,68	175	460,7	192,8	112,5	61,36	40,38	75	112,5	341,6	550	266

Основным показателем, характеризующим амплитуду напряжений продукта нелинейного преобразования на выходе усилителя, является коэффициент нелинейности интермодуляционных (комбинационных) составляющих соответствующих порядков. В частности, для составляющей третьего порядка этот коэффициент определяется формулой: