Способ компенсации верхнего загиба модуляционной характеристики модулируемого генератора высокочастотных колебаний
Класс 21а, 15 (оо 5 1 Я5
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ, ВЫДАННОМУ НАРОДНЫМ КОМИССАРИАТОМ ТЯЖЕЛОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Зарегистрировано в Государственном дующей регистрации изобретений ири fo
И. Н. Фомичев. я,S(. ° -ет —.
Способ компенсации верхнего загиба модуляционной характеристики модулируемого генератора высокочастотных колебаний.
Заявлено 9 сентября 1936 года за (еТП-0144, с присоединением заявок N ТЛ-1407 от 29 октября 1936 года и ¹ ТП-3105 от 9 декабря 1936 года.
Опубликовано 31 октября 1937 года.
Целью настоящего изобретения является способ повышения коэфициента полезного действия и увеличения номинальной мощности ламп модулируемого генератора высокочастотных электрических колебаний, пригодный для радиотелефонии как при сеточной модуляции или усилении модулированных колебаний, так и при анодной модуляции, независимо от применяемой схемы модулятора, а также для передачи неподвижных и движущихся изображений, для радиотелеграфии как тональными, так и незатухающими колебаниями и т. д.
Для достижения этой цели компенсируют верхний загиб модуляционной характеристики генератора высокой частоты. На чертеже фиг. 1 — 8 изображают кривые, характеризующие работу передатчика, а фиг. 9--11 — его схемы.
Сеточная модуляция и усиление модулированных колебаний. Как известно, при обычных способах сеточной модуляции (а равно и усиления модулированных колебаний) стати! ческая модуляционная характеристика, представляющая зависимость ам плитуды первой гармоники анодного тока (1„„,) от модулирующего фактора (смещения Е или возбуждения
U), имеет загибы в нижней и верхт 7 ней частях, обусловленные нелинейностью статических характеристик лампы.
Не касаясь нижнего загиба, для компенсации которого предложен ряд более или менее удовлетворительных схем, остановимся более подробно на причинах появления верхнего загиба.
Ясно, что верхний загиб модуляционной характеристики может появиться или при подходе к току насыщения лампы или же вследствие перехода генератора в перенапряженный режим. Первая из этих причин вследствие общеизвестного (при применении существующих схем) преждевременного ограничения использования эмиссии катода предельной (допустимой) мощностью рассеяния на аноде (особенно при мощных генераторных лампах) мало вероятна, и
Уплощенная форма импульсов анодного тока ооеспечивает получение большей 1„, при том же значении импульса i„„„„, а следовательно, и большей величины колебательной мощности в основном контуре генератора.
Ограничение роста 1 „, вследствие перенапряженности режима, как видно из вышеизложенного, в значительной мере отпадает, но вместе с ростом первой гармоники анодного тока быстро растет и постоянная составляющая этого тока 1„=1.
Такое соотношение роста 1, и
I„= 1 при существующих способах модуляции вызвало бы весьма быстрый рост рассеяния на аноде, ограничивающий возможность увеличения I„„
Предлагаемый же способ одновременно устраняет в значительной мере и это ограничение тем, что при нем теряемая генератором мощность не рассеивается полностью на аноде, как в обычных схемах, а распределяется между анодом и вспомогательным контуром (настроенным на третью гармонику), где она теряется в виде мощности колебаний утроенной частоты.
Такая разгрузка анода лампы позволяет гораздо полнее использовать лампу по эмиссии катода, увеличивая ее номинальную мощность на 40 и оолее по сравнению с обычно применяемыми способами сеточной модуляции.
Таким образом, первая гармоника анодного тока, вынужденно прекращая свой рост при существующих способах модуляции вследствие предельного рассеяния на аноде или образования глубоких провалов в импульсах тока — в перенапряженном режиме, при применении предлагаемого способа имеет гораздо большую возможность прямолинейного роста вплоть до полного использования эмиссии катода лампы, Примерный вид модуляционной характеристики генератора, получающейся при применении предлагаемого способа при сеточной модуляции смещением, изображен на фиг. 4 (кривая 1), где для сравнения приведена модуляционная характеристика, получающаяся на том же генераторе при обычном способе модуляции смещением (кривая 2), Указанные выше обстоятельства, помимо значительного увеличения прямолинейного участка модуляционной характеристики, увеличения номинальной мощности ламп, определяют также и повышение коэфициента LIQлезного действия модулируемого каскада за счет более высокого коэфициента использования анодного напряжения как в режиме несущей частоты, так и в режиме максимальной мощности. За коэфициент полезного действия принимается, как ооычно, отношение полезной колебательной мощности (в данном случае мощности, выделяемой в основном контуре) к полной мощности, потребляемои анодной цепью генератора.
Аналогичные резул ьтаты предлагаемый способ дает и при усилении модулированных высокочастотных колебаний.
В этом случае при работе усилителя с наиболее распространенным углом отсечки 0 = — 90" явления протекают в следующем порядке:
Первая (нижняя) часть модуляционной. характеристики (до тех пор, пока импульсы анодного тока остаются остроконечными) останется точно такой же, как и при обычных схемах усиления, так как напряжение третьей гармоники при 0 =90 и = 0 равно нулю (см. кривую 1 — фиг. 1).
Как только в импульсе тока начнут появляться уплощения верхушек (при подходе и во время критического режима — там, где обычная модуляционная характеристика начинает проявлять склонность к изгибу), появляется и третья гармоника анодного тока, причем сразу же B противофазе относительно первой гармоники(фиг.1) и с этого момента начинается ее компенсирующее действие, аналогично тому, как это было в модулируемом каскаде (в верхней части модуляционной характеристики), Примерный вид получающейся при этом модуляционной характеристики изображен на фиг. 5 (сплошной линией), где для сравнения нанесен пунктиром изгиб модуляционной характеристики в верхней части, имеющий место при обыч— 3 нератора (или на зажимах всей нагрузки) будет действовать суммарное переменное напряжение, характер изменения пиковых значений которого для последнего случая (пунктирные а, и а.,) представится в виде кривой а,, нанесенной на фиг.1 жирной линией.
Предлагаемый способ основан на использовании изложенного выше характера поведения гармоник в различных случаях, а также всем известного характера изменения вида ста- тических характеристик лампы при малых напряжениях на аноде, для чего в анодную цепь модулируемого генератора (или, соответственно, усилителя модулированных колебаний) последовательно с основным колебательным контуром, настроенным на основную частоту (на первую гармонику анодного тока) включается добавочный контур, настроенный на третью гармонику анодного тока.
При соответствующем подборе параметров контуров и режима модулируем ого генератора, зависящих от параметров лампы, заданных источников питания и т. и., работа генератора в процессе обычной сеточной модуляции смещением будет протекать в следующем порядке:
1) в течение части отрицательного полупериода модулирующего напряжения, соответствующей наибольшим отрицательным смещениям на сетке ламп модулируемого генератора, нижний угол отсечки анодного тока возрастает от 0 до неко,орого значения (порядка 40 — 50 ). Суммарное напряжение на анодной нагрузке растет со скоростью, почти в два раза большей, чем при одном контуре, так как при малых 0 значения а, и а, одинакового порядка, благодаря чему значительно ускоряется подход к критическому режиму генератора.
Динамическая характеристика ламп имеет, как обычно, восходящую почти прямолинейную часть, но с меньшей крутизной в соответствии с более интенсивным падением остаточного напряжения на аноде.
Импульсы анодного тока имеют форму отрезков синусоид без уплошений в верхней части (остроконечные импульсы), меняющихся по продолжительности и по величине в соответствии со значениями смещения и формой динамической характеристики.
Модуляционная характеристика в этой части мало чем отличается от характеристики, получающейся при обычных схемах модуляции (идет несколько ниже обычной);
2) в течение остальной части отрицательного и всего положительного полупериода модулирующего напряжения, что соответствует средней и верхней части модуляционной характеристики, суммарное напряжение на анодной нагрузке прекращает свой рост, а затем падает вследствие компенсирую1цего действия напряжения третьей гармоники (см, фиг. 1 — кривая я), В частных случаях суммарное напряжение может оставаться постоянным или медленно увеличиваться.
Такой характер изменения суммарного напряжения на анодной нагрузке заставляет генератор работать все время в режиме, близком к критическому, не переходя в перенапряженный режим, даже в том случае, когда напряжение на основном контуре становится равным или большим, чем напряжение источника анодного питания (===1).
Динамическая характеристика к моменту наступления критического режима получает в верхней части загиб, а при дальнейшей работе в оо. ласти критического режима принимает положение, близкое к горизонтальному (см. фиг. 2 — кривая жирной линией).
Вследствие такого вида динамической характеристики лампы во второй (рассматриваемой) части модуляционной характеристики, импульсы анодного тока приобретают все более и более уплощенную форму, переходя в максимальном режиме почти к прямоугольной форме.
Отсюда же становится ясным закономерность изменения а, и аз, близкая к показанной на фиг. 1 пунктирными линиями.
Характер изменения формы импульсов за нолупериод модулирую цего напряжения (от I= „, „до Е,„) приведен на фиг. 3. ному увеличению коэфициента полезного действия и номинальной мощности ламп генератора.
Кроме того, предлагаемый способ попутно дает более прямолинейную модуляционную характеристику, создает для ламп генератора более легкий тепловой режим и позволяет уменьшить мощность модуляторного устройства.
Осуществление предлагаемого ct.особа при анодной модуляции так же, как и при сеточной, производится за счет искажения формы кривой переменной составляющей анодного напря>кения таким образом, что, несмотря на продолжающийся рост амплитуды переменного напряжения основной частоты (U„), остаточное напряжение на анодах лампы не падает ниже величины, соответствующей критическому режиму, и вместе с этим обеспечивается получение более выгодной в энергетическом отношении формы импульсов анодного тока.
Эти искажения производятся путем добавления к неискаженному напряжению основной частоты, создающемуся на анодном контуре, напряжения утроенной часто гы, имеющего обратную начальную фазу по отноше. нию к основному, для чего в анодную цепь генератора последовательно с контуром, настроенным на основную частоту, включается (непосредственно или через элемент связи) дооавочный (вспомогательнь й) колебательный конт) р, настроенный а утроенную частоту.
Вследствие этого переменная составляющая анодного напряжения будет представлять сумму двух переменных анодных напряжений, причем упомянутое фазовоесоотношение дает возможность при одинаковом остаточном напряжении на аноде в момент наибольшего напряжения на сетке получить амплитуду основного колебательного напряжения, гораздо большую по величине, чем обычно в критическом режиме.
Сказанное поясняется фиг. 7, где тонкими линиями изображены кривые переменных составляющих анодн ого напряжения с амплитудами U„„, è
U„„, наложенные на постоянное анодное напряжение Е,, а толстой линией — кривая суммарного переменного напряжения на аноде.
Понятно, что такому искажению формы переменного анодного напряжения должно соответствовать вполне определенное искажение и импульсов анодного тока, обеспечивающее необходимое соотношение между амплитудами и фазами гармоник.
Как известно, импульсы анодного тока, симметричные относительно вертикальной оси, в результате расположения в ряд Фурье, наряду с другими составляющими содержат первую и третью гармоники, причем третья гармоника, сравнительно с первой, может иметь различные отношения по амплитудеи совпадающую или обратную начальную фазу, в зависимости ог формы импульса. В частности, при косинусоидальной форме импульса третья гармоника по отношению к первой имеет совпадающую начальную фазу при углах отсечек от 0 до 90, после чего ее фаза меняется на обратную, При появлении искажений импульсов в верхней части (отсечек, впадин, провалов и т. и.) этот переход фазы на обратную происходит при меньших значениях ни>кнего угла отсечки.
Выбором соотве гcòâóþùèõ значений сето шого смещения и возоуждения, а также параметров контуров (основного и вспомогательного), согласованных с параметрами применяемых ламп, постоянным анодным напряжением и т. и., нетрудно осуществить режим несущей частоты, обеспечивающий необходимое соотношение между упомянутыми гармониками, причем при изменении анодного напряжения в ту и другую сторону от рабочего установленное фазовое соотношение не меняется, а амплитудное подвергается небольшим изменениям.
Изложенное говорит о полной возможности осуществления искажения формы кривой переменного анодного напряжения в желательном направлении.
На фиг. ба сплошными тонкими линиями нанесены кривые изменения ных способах усиления модулированных колебаний.
Выбором нижнего угла отсечки 0 меньше или больше 90 действие третьей гармоники вводится в течение всего периода модуляции, причем возможны вариации, позволяющие углублять или ослаблять модуляцию, а также отчасти (или полностью) компенсировать и нижний изгиб модуляционной характеристики.
Анодная модуляция. Как показывает ряд теоретических и практических работ глубокая и линейная модуляция на анод возможна при условии, если на протяжении всей модуляционной характеристики генератор работает в перенапряженном режиме.
Применяемая в последнее время анодная модуляция в перенапряженном режиме с пуш-пульным модулятором, работающим в режиме усиления второго рода (класс „В"), известная под названием „анодной модуляции с повышенным к. п. д.", сделав крупный шаг в области повышения к. и. д, за счет модулятора, не дает возможности увеличения номинальной мощности ламп генератора и дальнейшего роста к. п. д. без уменьшения этой мощности.
То обстоятельство, что весь процесс модуляции должен производиться в перенапряженном режиме (иначе нарушается линейность), говорит за то, что генератор, находясь при высшей точке модуляционной характеристи в перенапряженном режиме, а следовательно, при относительно малом остаточном напряжении на аноде, не может полностью использовать лампу по току эмиссии (не говоря уже о работе на токе насыщения), т. е. остается не использованной возможность увеличения номинальной мощности ламп. Соогветственно остаются не использованными энергетические возможности и в режиме несущей частоты.
Кроме того известно, что в перенапряженном режиме импульсы анодного тока имеют впадину или провал большей или меньшей величины в зависимости от степени перенапряженности режима, следовательно, модуляция осуществляется за счет деформации импульсов анодного тока, вызывающеи изменение высоты импульсов, а также продолжительности их и глубины провалов или впадин.
На фиг. бд прерывистыми линиями изображены примерные формы импульсов анодного тока, соответствующие пяти точкам модуляционной характеристики; на фиг. ба также прерывистыми линиями изображены кривые изменения анодного напряжения соответственно для тех же точек модуляционной характеристики, но такая форма импульсов не дает существенных преимуществ как в смысле абсолютной величины первой гармонической их разложения (1„„, ), характеризующей колебательную мощность, так и в смысле отношения первой гармонической к постоянной составляющей
am
"1
1, характеризующего коэфициент полезного действия генератора. Напрашивающаяся возможность повышения к. п. д. за счет дальнейшего увеличения коэфициента использования анодного напряжения при употребляемом способе анодной модуляции не может быть осуществлена вследствие вызываемого этим снижения номинальной мощности.
Кроме того, употребляемый способ анодной модуляции дает некоторый изгиб в нижней части модуляционной характеристики (см. фиг. 8 — модуляционная характеристика изображена тонкой сплошной линией).
По предлагаемому способу генератор имеет возможность работать со значительно более высокими аи1
Е при одн временном увеличении как абсолютных значений первой гармоническойой анодного ток;, так и отношении ее к постоянной составляющей этого же тока, что в общей сложности ведет одновременно к значительмого способа как при сеточной, так и при анодной модуляции или усиле- нии модулированных колебаний при- водятся три схемы:
1, Схема однотактного генератора с сеточной нейтрализацией (фиг. 9).
2. Схема однотактного генератора с анодной нейтрализацией (фиг. 10).
3. Схема двухтактного (пуш-пульного) генератора с нейтрализацией междуэлектродной емкости (фиг. 11).
В этих схемах х, и х., обозначают, реактивные сопротивления (плечи ( моста), z и ., — основной и добавоч- i ные контуры, с,„с,„с,. — нейтро-, ! динные конденсаторы, z., — контур для балансировки нейтродинного моста.
Все схемы со стороны сеточной цепи генератора не требуют никаких изменений по сравнению с существующими устройствами; для сеточного смешения допускается применение как источников постоянного напряжения, так и гридлика или их комбинаций.
Само собою разумеется, что приведенными схемами не исчерпываются все возможные формы и варианты выполнения устройства для осуще ствления предлагаемого способа; в частности, приведенные, а равно и другие возможные схемы в одинаковой степени применимы как при параллельном, так и при последовательном анодном питании и допускают работу на экранированных лампах (нейтрализация отпадает).
Предм ет изобретения.
1. Способ компенсации верхнего загиба модуляционной характеристики модулируемого генератора высокочастотных колебаний, отличающийся тем, что путем введения в состав переменного анодного напряжения !:îлебаний с утроенной частотой генератор заставляют работать при сеточной модуляции в течение первого отрицательного полупериода модулирующего напряжения в недонапряженном режиме остроконечными импульсами анодного тока, а в течение остальной части периода заставляют работать генератор в режиме, близком к критическому, плоскими импульсами анодного тока.
2. Видоизменение способа по и. 1,. отличающееся тем, что путем введения в состав переменного анодного напряжения колебаний с утроенной частотой генератор заставляют работать при анодной модуляции — большую часть периода модулирук щего напряжения в режиме, близком к критическому, с компенсацией провалов в импульсах анодного тока, которые в верхней части модуляционной характеристики переходят к плоской форме. переменной составляющей анодного напряжения основной частоты, а сплошными толстыми линиями — кривые изменения суммарного переменного анодного напряжения для тех же (упомянутых выше) точек и условий, которые были взяты при обычно применяемом способе анодной модуляции (пунктирные кривые на той же фигуре). Соответственно, на фиг. 6b сплошными линиями изображены примерные формы импульсов анодного тока.
При первом же взгляде на фиг. 6а, 6b ясно выступают преимущества предлагаемого способа как по анодному напряжению увеличение амплитуды переменного напряжения основной частоты, что ведет к увеличению мощности и к. п. д., так и по току, дающему большее значение первой гармоники, что ведет к увеличению мощности.
Более же детальное изучение такой формы импульсов тока показывает, что вместе с увеличением первой гармоники по абсолютной величине увеличивается и ее отношение к посто. янной составляющей, что ведет к еще большему увеличению коэфициента полезного действия. Только на нижнем участке модуляционной характеристики (импульс 1 на фиг. 6b) генератор переходит в более перенапряженный режим, чем обычно, с соответствующим уменьшением по абсолютной величине первой гармоники, что является как раз желательным, так как позволяет выпрямить модуляционную характеристику, имеющую, обычно, выпуклость в этом участке.
В частном случае, в зависимости от потребного изменения вида модуляционной характеристики, режим может быть легко изменен, применено комбинированное с гридликом сеточное смещение и т. п.
На фиг. 8 сплошными толстыми линиями изображены примерные статические модуляционные характеристики генератора
1л = f (Е„) и У„= f (Е,), получающиеся при применении предлагаемого способа; на той же фигуре сплошными тонкими линиями изображены соответствующие характеристики для случая применения обычного способа анодной модуляции.
Из рассмотрения модуляционных характеристик фиг. 8 ясно видны энергетические преимущества предлагаемого способа, который по ориентировочным подсчетам может дать увеличение номинальной мощности ламп генератора на 20" „ и более (по сравнению с.обычно применяемым способом) при одновременном увеличении коэфициента полезного действия на
25 — 35 „(т. е. вместо обычного <=0,7 получить < j= 0,9); вместе с этим улучшается линейность модуляционной характеристики и создаются условия для уменьшения потребной мо1цности модулирую щего устройства, (коэфициент полезного действия для предлагаемого способа исчисляется обычным путем, как отношение полезной колебательной мощности, по основной частоте, к полной подводимой мощности).
Все отмеченные положительные качества предлагаемого способа проявляются одновременно, но в случае отсутствия необходимости повышения одних показателей можно за счет их увеличить еще более другие показатели, например, при отсутствии надобности повышения мощности генератора по сравнению„с обычным способом можно при том же повышении к. п. д. генератора (25 — 35, „) уменьшить рабочее анодное напряжение и амплитуду модулирующего напряжения, т. е. еще более понизить потребную мощность модулятора, а этим самым еще более повысить коэфициент полезного действия всей установки.
Помимо указанных преи муществ предлагаемый способ создает черезвычайно легкий тепловой режим ламп генератора за счет того, что значительная часть и без того уменьшенной мощности потерь в анодной цепи выделяется в виде колебательной мощности во вспомо гательном контуре.
В качестве примеров отдельных возможных форм выполнения устройств для осуществления предлагаеК авторскому свидетельству И. Е1. Фомичева о g)Яg фигl фиг2
Eq
Jam фиГЗ
-0,! иг6 фи 7 фига
Jk, оеи г — —,я — — «е
1 1
И ш1 га — — -з а
mok
1 наеьнценг е
/,,; 1 7.
/ ш (p) Изненение еоооно< иняулоео5 оно ного moka фиг3 фИГ
Тнп..Иеаатн.ий Труд". Зпк. 43о — 700
-.-m- а Ш (й) Кри(гете ионенения анального напаяйения фигll гф,
