Глава 4

СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для реализации задачи суммирования мощностей автогенераторов их колебания должны быть когерентными, т. е. синхронизированными. Синхронизация может быть взаимной или внешней от стабильного источника.

Простейшим способом увеличения мощности автогенератора, как и усилителя, является непосредственное (параллельное, последовательное, смешанное) соединение активных элементов. Соединение активных элементов легче осуществляется, когда они являются двухполюсниками (диоды Ганна, ЛПД). Основные недостатки непосредственного соединения были отмечены в § 1.1. Использование более 3-4 приборов в группе оказывается затруднительным из-за возможности аварийных режимов, трудностей отвода тепла и т.д.

Совместная работа активных элементов облегчается, когда они подключены к разным точкам общего резонатора: упрощается задача отвода тепла [28]. Иногда размещают их в волноводе на расстоянии порядка 112 с таким расчетом, чтобы они мало изменяли конфигурацию поля. Применяется также их двухтактное или антипараллельное включение [30]. Недостатки упомянутых систем (возможность возникновения иесиифазиых автоколебаний и др.) можно частично уменьшить, соединив активные элементы посредством специальных линейных устройств, при которых генераторы связаны с нагрузкой достаточно сильно и слабо - между собой. (

Анализу работы взаимно синхронизированных автогенераторов посвящено большое число работ (например, [32, 33]). В [31] показа-

h-н

и

Рис. 4.1. Устройство, предложенное Курокавой (а), и эквивалентная этого устройства (б):

/ - диод; 2 - четвертьволновый трансформатор-. 5 - согласованная нагрузка; 4 - вод; 5 - источник питания

но, что для устойчивой взаимной синхронизации генераторов с обеспечением синфазных колебаний связь между автогенераторами должна иметь диссипативный характер: кроме полезной активной нагрузки, устройство должно содержать резистивиые элементы. Это указывает иа целесообразность использования мостовых устройств (в некоторых случаях с неполной развязкой). Применение МУ оказывается весьма полезным в системах с внешней синхронизацией.

При построении системы сложения мощностей с взаимной синхронизацией автогенераторов необходимо предотвратить возможность возникновения несинфазных типов автоколебаний. Заслуживает внимания устройство Курокава [29]: в волноводе на расстоянии Ji/2 друг от друга вмонтированы коаксиальные резонаторы, соединяемые иа одном конце с генераторным диодом, а иа другом - с согласованной нагрузкой (рис. 4.1, а). Эквивалентная схема устройства на примере трех автогенераторов показана на рис. 4.1, б. Благодаря подбору соотношения между R и Pj, на основном типе колебаний (ш о = l/KC) почти вся мощность автогенераторов выделяется в Р„, для других типов (ш Ф Шо) сопротивление общего резонатора оказывается небольшим.

Перспективной является также схема Раккера [37], показанная на рис. 4.2, а. Устройство содержит пять СВЧ автогенераторов на ЛПД, симметрично связанных с общей нагрузкой /? через емкости связи Сев (для простоты на эквивалентной схеме рис. 4.2, б показано два автогенератора). При синфазном режиме мощность будет выделяться в нагрузке и стабилизирующие резисторы Рст как бы не участвуют в работе схемы. Включение Рст позволяет снизить добротность системы для несиифазных режимов и ликвидировать возможность их возникновения.

Схему Раккера можно рассматривать как разбалаисироваииое МУ с поворотной симметрией. Выбирая Pg = Рст и параметры моста, можно определить необходимую связь между генераторами и величины входных сопротивлений, которые нарушали бы устойчивость иесиифазиых режимов.

4.2. характеристики автогенератора

с внешней синхронизацией

Предварительно остановимся коротко на основных особенностях работы автогенератора в режиме синхронизации, которые интересны с точки зрения сложения мощности, осуществляемого посредством МУ.

Генератор с синхронизацией внешним сигналом иногда условно называют усилителем , коэффициент усиления которого определяется отношением напряжения, создаваемого генератором Е, к величине сигнала синхронизации Е^. Существенным отличием является зависимость рабочей полосы, т. е. полосы синхронизации, от величины Е^: амплитуда иа выходе генератора мало зависит от амплитуды синхронизации, разность же фаз ф между ними существенно зависит как от отношения амплитуд Е/Е^, так и от параметров резонансной системы автогенератора. Эта зависимость наиболее интересна для оценки работы автогенераторов в системе сложения мощностей. Обозначим Е/Е^ = к = х УР/Р^, где РиР^ - мощности сигналов генератора и синхронизации; и - коэффициент, зависящий от устройства ввода сигнала синхронизации. Например, При вводе его по линии передачи K=al2b, где а=]/Р и fe= - Соответственно нормированные амплитуды выходящей и входящей воли.

Согласно одной из первых работ по исследованию фазовых'харак-теристик в режиме синхронизации, написанной применительно к ламповому генератору с одиночным контуром [34], фазовый сдвиг при большой величине К (при малом сигнале синхронизации)

Ф = arcsin/Cjc.

(4.1)

Здесь X = 2QAco/coo, где Q - внешняя добротность контура; щ - его резонансная частота; А со - отклонение частоты сигнала синхронизации от (Oq-

Полоса синхронизации, определяемая из условия sin ф л? 1,

Шc<щl2QK. (4.2)

При большом сигнале синхронизации, как показано в [35],

Ф = arcsin/C (xiyrflF) + +arcsin(A;/V 1 + л^). (4.3)

Тогда фтах = ± (я/2) + Рис. 4.3. Фазовые характеристики ге- -t-arcsin {xiy 1 +л^) > я/2. При нераторов на диодах Ганна в режи- малом сигнале синхронизации

ме синхроиизацни выражение переходит

расчетные;----экспернмен- 3 (4 jj

На рис. 4.3 приведены расчетные фазовые характеристики в режиме синхронизации и экспериментально снятые для твердотельных СВЧ генераторов. При больших сигналах синхронизации заметна иесимметрия фазовых характеристик, обусловленная спецификой работы твердотельных генераторов.

Из сказанного следует, что для получения достаточно широкой полосы синхронизации и также небольшого расхождения фаз колебаний автогенераторов сигнал синхронизации (взаимной или внешней) должен иметь достаточную величину.

У генератора с произвольной контурной системой, эквивалентное сопротивление которой равно Z (со) = Р (со), е'С , и, в отличие от томпсоновского генератора, с задержкой сигнала в активном элементе [39]

Ф = &XQsmK [sinf (со) - R (со)/ {Е) sinф (£)/£], (4.4)

где / (£) - зависимость амплитуды первой гармоники тока генератора от колебательного напряжения, которая определяется типом и режимом работы прибора; ф (£) - разность фаз между первой гармоникой тока и напряжением, зависящая от формы и характера импульса тока.

Если резонансная система генератора представляет собой одиночный контур, то выражение (4.4) переходит в (4.3) и при достаточно большом /С - в (4.1). Если нелинейная реактивность мала, т. е., ф (£) О и /С > 10, то согласно (4.4)

ср = arcsin[/CsinF (со)].

(4.5)

Это означает, что вид фазовой характеристики синхронизированного генератора с произвольной контурной системой определяется, в первую очередь, видом фазовой характеристики резонансной системы F (со) вблизи частоты генерации .-

Если рассматривать работу автогенератора только в полосе синхронизации, то удобно представить его (например, генератор с отрицательным сопротивлением) в виде активного отражающего элемента (рис. 4.4), где сигнал синхронизации b подается или непосредственно иа генератор, или через ферритовый циркулятор ФЦ. Тогда волна, выходящая от генератора Г ДОС, а=\а{Ь, х)\ ехр [/ (ф^ + фе)], где фс - фаза сигнала синхронизации; Фг - набег фазы в автогенераторе, определяемый (4.1) - (4.4).

Можно считать в первом приближении, что при больших величинах К амплитуда волны а, идущей от генератора, меняется мало в полосе синхронизации, а фаза ее существенно зависит от амплитуды и фазы сигнала синхронизации.

Рис. 4.4. Эквивалентная схема генератора с синхронизацией

4.3. ОСОБЕННОСТИ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ АВТОГЕНЕРАТОРОВ ПОСРЕДСТВОМ МУ

Допустим, что мощности двух автогенераторов складываются в МУ (рис. 4.5, а). Их взаимная синхронизация определяется сигналом прохождения между входами 1-2. Минимальная взаимосвязь при Г„ = Гс = О (т. е. при полиостью согласованных нагрузках Ro и R ) определяется собственной величиной 8ц. В общем случае амплитуда и фаза сигнала, проходящего с одного входа на другой, зависят от частотных свойств МУ и величин Го, Г„. Так как эти значения в известной мере произвольны, то возможны нежелательные режимы работы: несинфазность колебаний приводит к понижению мощности в нагрузке.

Можно усилить взаимосвязь генераторов путем изменения величины балластного резистора вплоть до его закорачивания. Например, иа рис. 4.5, б приведено щелевое волноводиое МУ, причем вместо балластной нагрузки стоит закорачивающий поршень. При некотором положении поршня вся суммарная мощность выделяется в полезной нагрузке. Эта схема эквивалентна параллельному включению генераторов, взаимное электрическое расстояние между которыми определяется положением закорачивающего поршня (см. § 3. 4). Недостатком такой схемы является зависимость генерируемой частоты от положения поршня и, следовательно, сложность настройки.

Если ввести в канал нагрузки сбалансированного МУ через цир-кулятор сигнал синхронизации (рис. 4.5, в), то мост можно использовать одновременно как делитель для сигнала синхронизации = = с и как сумматор для сигналов генераторов и cj- Пусть мощности генераторов одинаковы и

ci = I а I ехр [/ (ф,1 + ф,1)], йг = I а I ехр [/ (ф,г + фег)].

е-

н

Рис. 4.5. Использование МУ при сложении мощности автогенераторов:

а) общая схема: б) волиоводное МУ с закороченным балластным резистором; в) генераторы синхронизированы через фсрритовый ииркулятор (ФЦ); г) синхронизация без циркулятора

Фаза сигнала синхронизации (фсх.г) определится аргументами коэффициентов передачи Su и 8ц, (ри и ф24 и длинами соединительных линий генераторов с мостом 1, 1, Фд и фгг соответственно: ф^ = = Фи + Фа. Фсг = Ф24 + Ф;2- Фазы ф^, Фгз определяются амплитудой сигнала синхронизации fei = с 2 I =1 S241 и относительными величинами расстроек генераторов и х^. Согласно (4.1)

Фг1,2 = arcsin Х12 Ki, = arc sin л: 2 I ul2bii \ .

Суммарный сигнал иа входе 4 (рис. 4.5, в)

= 01 ехр /ф,1 + 02 ехр / Ф,2 S24 = I а { \ ехр [/ (ф^ +

+ 2фсг)] + 1 S24I ехр [/ (ф.2 + 2 фег)]}. (4.6)

К фазе сигнала каждого генератора добавляется удвоенная фаза сигнала синхронизации 2фс1,2- Д^я МУ сложения равных мощностей (тп - 1) I Su\ = I S24I = I/V2 и

Ь, = а/1/Т{ехр [/(фп + 2ф„)] + ехр [/ (фг2 + 2фе2)]}. (4.7)

Если мост синфазный и длины линий 1 = 1, то (pci = Фсг- При Xi = Х2, Фг1 = фгг суммарный сигнал в канале нагрузки 4 (рис. 4.5,в) &4 = У~2 а ехр [/ (фг1 + 2фс)1 и суммарная мощность - 2 Р, как и следовало ожидать.

Если мост квадратурный {(рц = Ф24 + я/2) и = 1, то 2фс1 = 2фс2 + я и Р4 =0. В этом случае вся мощность выделится на входе 3 (рис. 4.5, г)

Ьз = ai\ Si31 ехр /фц + \ 831 ехр /ф,2 = = I а I [ I I ехр / (фг1 + Фа + Ф1з + Ф14) + I гз I ехр у (ф^г +

+ ф12 + ФРЗ + Ф24)]- (4-8)

При ф,1 =.ф12, Фи = Ф24 + л/2, ф23 = Ф13 + /2, Ф13 = = Фн и фг1 = фг2 = Фг

Ьз = Ui Si3 ехр / фц + а.- S23 ехр / фгг; -Pas = 2Р. (4.9)

Такой же результат получится в синфазных мостах при = = /2 + /4. Поэтому, используя квадратурные мосты или включая генераторы в синфазных мостах через линии, отличающиеся на Я/4, можно,не применяяциркулятора, засиихронизировать и сложить мощности двух генераторов (рис.4.5, г).

Аналогично можно построить систему сложения большего числа генераторов. Например, при попарном сложении мощностей (М = = 2*) сигнал синхронизации может быть введенчерез ФЦв канал нагрузки [36]. Для сигнала синхронизации мостовая система является делителем мощности, для сигналов генераторов - суммато-