Lektsia

Лекция 3. Устройства СВЧ

Учебно-воспитательные цели:
Обучающие: ознакомление с функциями устройств СВЧ и антенн, выполняемыми в аппаратуре радиотехнических систем (РТС), с основами теории линии передачи СВЧ, их характеристиками, режимами работы, способами и устройствами согласования с нагрузкой.
Развивающие: развитие способности самостоятельно получать новые знания о принципах построения и функционирования радиотехнических устройств и систем.
Воспитательные: воспитание желания целеустремленно и самостоятельно заниматься сбором и анализом информации, а также системного подхода к процессу самообразования.
Время: 2 часа.

Учебные вопросы и расчет времени:

Учебные вопросы
Время, мин


Организационная часть
1


Вступительное слово
4

1

2

3
4
Структурная схема РТС, роль и место устройств СВЧ и антенн в РТС
Линии передачи, их классификация и основные характеристики, режимы работы
Согласование линии передачи с нагрузкой
Устройства узкополосного и широкополосного согласования
15

30

15

20


Подведение итогов
3


Ответы на вопросы
Выдача задания на самоподготовку
7


РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Основная:
Бокова О.И. Устройства СВЧ: учеб. пособие / О.И. Бокова, Р.Н. Андреев, А.И. Климов; под ред. Н.С. Хохлова. – Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2008. – 167 с.

Дополнительная:
Замотринский В.А. Устройства СВЧ и антенны. Часть 1. Устройства СВЧ [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Замотринский В.А., Шангина Л.И. – Электрон. текстовые данные. – Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012.– 222 c. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/13996.– ЭБС «IPRbooks».
Климов А.И. Устройства СВЧ и антенны. Часть 1. Устройства СВЧ: метод. указ. к лабораторным работам – Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2012. – 78 с.

Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»
URL : http://www.iprbookshop.ru/ – Электронно-библиотечная система IPRbooks.





































Текст лекции

1. Структурная схема РТС, роль и место устройств СВЧ и антенн в РТС

Постоянно возрастающие потребности общества в средствах передачи, приема и обработки информации диктуют необходимость более эффективного использования уже достаточно освоенных диапазонов радиочастот и, в том числе, продвижения в область сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ). Прогресс в этом направлении неразрывно связан с совершенствованием элементной базы и методов проектирования радиотехнических устройств и систем различного назначения диапазонов СВЧ и КВЧ. Поэтому с 40-х годов прошлого столетия в радиотехнике постепенно выделилась и начала интенсивно развиваться новая область – устройств СВЧ и антенн. Уже тогда выяснилось, что известные в то время линии передачи и устройства управления параметрами электромагнитных колебаний с ростом частоты утрачивали эффективность или, в силу физических принципов их действия, становились непригодными для выполнения названных выше функций. Таким образом, в арсенале радиотехнических устройств появились новые линии передачи электромагнитных колебаний, например металлические и диэлектрические волноводы, полосковые и микрополосковые линии, ферритовые и полупроводниковые управляющие устройства. Изучению принципов построения и функционирования данных устройств, их параметров и характеристик, основ электрического расчета и практического применения и посвящается первый раздел дисциплины «Устройства СВЧ и антенны» (УСВЧА). Устройства СВЧ и антенны являются неотъемлемой частью любой РТС (рисунок).

2. Линии передачи, их классификация и основные характеристики, режимы работы

Линией передачи СВЧ называется совокупность тел, осуществляющих передачу (канализацию) электромагнитной энергии в определенном направлении без излучения в окружающее пространство. Направление распространения электромагнитных колебаний определяется взаимным расположением их источника и нагрузки линии передачи. Источником электромагнитных колебаний может служить, например, радиопередающее устройство или приемная антенна; нагрузкой линии передачи может быть передающая антенна, входная цепь радиоприемника и др.
К устройствам СВЧ относятся устройства, обеспечивающие трансформацию сопротивлений и согласование, фильтрацию, направленную передачу, сложение и деление мощностей СВЧ колебаний и другие функции. Во многих случаях устройства СВЧ строятся на основе отрезков линий передач. Совокупность устройств СВЧ, соединенных определенным образом, образует тракт СВЧ.
Различают регулярные и нерегулярные линии передачи. Регулярная линия передачи характеризуется постоянством размеров поперечного сечения и электромагнитных свойств заполняющей среды в продольном направлении. Если хотя бы одно из условий регулярности отсутствует, то такая линия является нерегулярной. Линия передачи, заполненная однородной средой, называется однородной, в противном случае линия считается неоднородной.
Линии передачи классифицируются по диапазонам частот. Принята и закреплена ГОСТами терминология, определяющая длины волн и частоты электромагнитных колебаний [1, 2]. Соответственно, диапазон СВЧ охватывает частотный интервал от 3 до 30 ГГц (сантиметровые волны). Однако ввиду большой общности принципов построения различных устройств и приборов в научной и технической литературе диапазоном СВЧ зачастую называют более широкий интервал – от 0,3 до 300 ГГц (дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны).
Линии передачи также классифицируются по типам используемых волн: линии передачи с поперечной электромагнитной волной (Т-волной); линии передачи с магнитной волной (Н-волной); линии передачи с электрической волной (Е-волной); линии передачи с гибридной волной.
Направив ось z прямоугольной системы координат вдоль линии передачи, каждый тип волны можно определить условиями, представленными в табл. 1 и накладываемыми на продольные Еz и Нz составляющие векторов электрического и магнитного полей соответственно.
Из табл. 1 следует, что в Т-волне векторы напряженности электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения; в Н-волне вектор напряженности магнитного поля имеет продольную и поперечную составляющие, а вектор напряженности электрического поля имеет только поперечную составляющую; в Е-волне вектор напряженности электрического поля имеет продольную и поперечную составляющие, а вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости поперечного сечения линии передачи; в гибридной волне векторы напряженности электрического и магнитного полей имеют и продольные, и поперечные составляющие.





Таблица 1

Тип волны
Условия на продольные составляющие полей

Т
ЕZ = 0, Hz = 0

Н
ЕZ = 0, Hz
· 0

Е
ЕZ
· 0, Hz = 0

Гибридные волны (типа ЕН и НЕ)
ЕZ
· 0, Hz
· 0



Теория регулярных линий передачи

На практике наибольшее распространение получили отрезки регулярных линий передачи той или иной длины. Если длина регулярной линии передачи существенно превышает длину волны в линии
·л, то такая линия называется длинной. Характерной особенностью длинных линий является возможность существования в них двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн образуется подключенным к линии генератором электромагнитных колебаний и называется падающей. Другая волна образуется из-за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии, и называется отраженной. Отраженная волна распространяется в направлении, обратном падающей волне. Все разнообразие процессов, происходящих в длинной линии, определяется амплитудно-фазовыми соотношениями между падающей и отраженной волнами.
Рассмотрим двухпроводную длинную линию, представленную на рис. 1, где ZH = RH + iXH комплексное сопротивление нагрузки; z продольная координата линии, отсчитываемая от места подключения нагрузки.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415



Рис. 1. Двухпроводная длинная линия

Рис. 2. Эквивалентная схема участка длинной линии dz


Из электродинамики известно, что линия передачи может быть охарактеризована ее погонными параметрами: R1 погонное сопротивление, Ом/м; G1 погонная проводимость, 1/Ом ·м; L1 погонная индуктивность, Гн/м; С1 погонная емкость, Ф/м. Погонные сопротивление R1 и проводимость G1 зависят от проводимости материала проводов и качества диэлектрика, окружающего эти провода, соответственно. Чем меньше тепловые потери в металле проводов и в диэлектрике, тем меньше, соответственно, R1, и G1. Погонные индуктивность L1 и емкость С1 определяются формой и размерами поперечного сечения проводов, а также расстоянием между ними. Выделим из линии элементарный участок бесконечно малой длины dz и рассмотрим его эквивалентную схему (рис. 2).
Значение параметров схемы можно определить из отношений
13 EMBED Equation.3 1415 (4)
На основе эквивалентной схемы запишем выражения для приращений тока и напряжения
13 EMBED Equation.3 1415 (5)
Подставив в (5) значения параметров схемы из (4), получим
13 EMBED Equation.3 1415
где 13 EMBED Equation.3 1415 – погонные комплексные сопротивление и проводимость линии. В этом случае

13 EMBED Equation.3 1415 (6)
Выражения (6) получили название телеграфных уравнений длинной линии, и именно они определяют связь между током и напряжением в любом сечении линии.
Решить телеграфные уравнения можно относительно напряжения и тока, если продифференцировать их по z:
13 EMBED Equation.3 1415. (7)
Также следует учесть, что
13 EMBED Equation.3 1415. (8)
Полученные выражения являются математическим определением регулярности длинной линии. Физический смысл (8) в том, что погонные параметры не изменяются вдоль линии.
Подставив в (7) значения производных напряжения и тока из (6) и произведя ряд преобразований, получим
13 EMBED Equation.3 1415 (9)
где
· – коэффициент распространения волны в линии, 13 EMBED Equation.3 1415 (1/м).
Выражения (9) называются однородными волновыми уравнениями длинной линии. Их решения хорошо известны и могут быть записаны в виде [3]
13 EMBED Equation.3 1415, (10)
где AU, BU, AI, BI – некоторые коэффициенты, физический смысл которых будет пояснен позже, они имеют размерность напряжения и тока соответственно.
Решение волновых уравнений в виде (10) имеют характерный вид: первое слагаемое – это падающая волна напряжения или тока, которая распространяется от генератора к нагрузке; второе слагаемое – отраженная волна, которая распространяется от нагрузки к генератору. Таким образом, коэффициенты AU, AI представляют собой комплексные амплитуды падающих волн напряжения и тока соответственно, а коэффициенты BU и BI – комплексные амплитуды отраженных волн напряжения и тока. В связи с тем что часть мощности, которая передается по линии, может поглотиться в нагрузке, амплитуды отраженных волн не должны превышать амплитуды падающих:
13 EMBED Equation.3 1415.
В (10) направление распространения волны определяется знаком в показатели степени экспоненты: «плюс» – волна распространяется в отрицательном направлении оси z, «минус» – в положительном. В этом случае можно записать
13 EMBED Equation.3 1415. (11)
Коэффициент распространения
· в общем случае является комплексной величиной и представляется в виде
13 EMBED Equation.3 1415, (12)
где
·, 1/м – коэффициент затухания волны в линии;
·, 1/м – коэффициент фазы.
Тогда, учитывая (12), выражения (11) примут вид
13 EMBED Equation.3 1415. (13)
Коэффициент затухания
· определяет скорость уменьшения амплитуды волны при распространении вдоль линии. Коэффициент фазы
· определяет скорость изменения фазы волны вдоль линии.
Коэффициент
· связан с длиной волны
· отношением
13 EMBED Equation.3 1415. (14)
Фазовая скорость волны в линии Vф определяется через коэффициент фазы:
13 EMBED Equation.3 1415. (15)
Определить решение однородных волновых уравнений можно и через значения напряжений и токов линии в нагрузке. В этом случае вводится понятие волнового сопротивления линии: 13 EMBED Equation.3 1415 (Ом). Тогда волновым сопротивлением линии передачи называется отношение напряжения к току в бегущей волне.
В этом случае выражения (10) примут вид
13 EMBED Equation.3 1415 (16)
Для нахождения коэффициентов А и В используем условие на конце линии z=0: U(z=0)=UH; I(z=0)=IH. Тогда из (16) при z=0 получим:
13 EMBED Equation.3 1415 (17)
Подставим полученные значения коэффициентов из (17) в (16) и после преобразований получим
13 EMBED Equation.3 1415 (18)
где ch и sh – гиперболические синус и косинус.
С учетом проведенного решения телеграфных уравнений оценим закономерности изменения напряжения и тока вдоль линии передачи.
Сначала рассмотрим простейший случай, когда напряжение и ток в линии определяются только падающей волной, а отраженная волна отсутствует. Тогда BU=0, BI =0 и из (10) получим: 13 EMBED Equation.3 1415.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 3. Эпюры напряжения падающей волны в линии:
а – амплитуда, б – фаза

На рис. 3 представлены эпюры изменения амплитуды напряжения и фазы напряжения вдоль линии. Эпюры изменения амплитуды и фазы тока имеют такой же вид. Из рассмотрения эпюр следует, что при отсутствии в линии потерь (
· = 0) амплитуда напряжения в любом сечении линии остается одной и той же. При наличии потерь в линии (
· > 0) часть переносимой мощности преобразуется в тепло (нагревание проводов линии и окружающего их диэлектрика). По этой причине амплитуда напряжения падающей волны экспоненциально убывает в направлении распространения.
Фаза напряжения падающей волны изменяется по линейному закону и уменьшается по мере удаления от генератора.
Рассмотрим изменение амплитуды и фазы, например, напряжения при наличии падающей и отраженной волн. Для упрощения положим, что потери в линии отсутствуют, т.е.
· = 0. Тогда напряжение в линии можно представить в виде
13 EMBED Equation.3 1415, (19)
где Г = Ви / Аи комплексный коэффициент отражения по напряжению. Он характеризует степень согласования линии передачи с нагрузкой. Модуль коэффициента отражения изменяется в пределах: 0
·|Г|
·1. При этом |Г| = 0, если отражения от нагрузки отсутствуют и Ви = 0; |Г| = 1, если волна полностью отражается от нагрузки, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415.
Соотношение (19) представляет собой сумму падающей и отраженной волн. Отобразим напряжение на комплексной плоскости в виде векторной диаграммы, каждый из векторов которой определяет падающую, отраженную волны и результирующее напряжение. Из диаграммы видно (рис. 4), что имеются такие поперечные сечения линии, где падающая и отраженная волны складываются в фазе. Напряжение в этих сечениях достигает максимума, величина которого равна сумме амплитуд падающей и отраженной волн: 13 EMBED Equation.3 1415. Кроме того, существуют такие поперечные сечения линии, где падающая и отраженная волны складываются в противофазе. При этом напряжение достигает минимума.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 4. Векторная диаграмма напряжений в линии с отраженной волной

Если линия нагружена на сопротивление, для которого |Г| = 1, т.е. амплитуда падающей и отраженной волн равны, то в этом случае 13 EMBED Equation.3 1415, a Umin = 0. Напряжение в такой линии изменяется от нуля до удвоенной амплитуды падающей волны. По этому напряжению судят о степени согласования линии с нагрузкой. Для этого вводятся понятия коэффициента бегущей волны kбв (КБВ) и коэффициента стоячей волны kсв (КСВ):
13 EMBED Equation.3 1415; (20)
13 EMBED Equation.3 1415. (21)
Эти коэффициенты изменяются в пределах:
13 EMBED Equation.3 1415.
На практике более часто используют понятие КСВ, т.к. современные измерительные приборы на индикаторных устройствах отображают измерение именно этой величины в определенной полосе частот.
Важной характеристикой линии передачи (длинной линии) является входное сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415, которое определяется в каждом сечении линии как отношение комплексных амплитуд напряжения и тока в этом сечении:
13 EMBED Equation.3 1415. (22)
Входное сопротивление в общем случае носит комплексный характер и является частотно-зависимым. Кроме того, входное сопротивление зависит от длины отрезка линии и сопротивления нагрузки.
Режимы работы:
- согласования с нагрузкой (режим бегущей волны);
- смешанных волн (обычно имеющий место на практике);
- стоячей волны (в случае короткого замыкания, холостого хода, работы на чисто реактивную нагрузку).
В режиме стоячей волны при КЗ, ХХ, и L,C нагрузок в линии устанавливается стоячая волна напряжения (и тока), перенос энергии в продольном направлении невозможен.






3. Согласование линии передачи с нагрузкой

На практике чаще всего длинные линии используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки ZH = RН + iXH удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки RH должна равняться волновому сопротивлению линии
RH=W,
а реактивная часть нагрузки XН должна равняться нулю:
Хп=0.
Если сопротивление нагрузки удовлетворяет вышеназванным условиям, то говорят, что линия согласована с нагрузкой.
Цели согласования. Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:
- увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;
- увеличение электрической прочности линии;
- увеличение КПД линии;
- устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.
В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.
Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации. Требования к kсв на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора.
Для согласования комплексных нагрузок используются различные согласующие устройства, которые по соображениям сохранения высокого КПД тракта выполняются чаще всего из реактивных элементов.

Рассмотрим согласующие устройства в линиях передачи СВЧ, наиболее распространенные на практике.
В волноводных, коаксиальных и полосковых трактах СВЧ применяются следующие типы согласующих устройств:
- четвертьволновые трансформаторы;
- последовательные и параллельные шлейфы;
- ступенчатые и плавные переходы.
4. Устройства узкополосного и широкополосного согласования

Устройства узкополосного согласования. Узкой принято считать полосу частот 2
·f, составляющую единицы процентов от средней частоты f0. В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования kсв
·kсв доп. Типичный график зависимости kсв тракта от частоты представлен на рис. 5. Конкретное значение kсв доп определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,02... 2.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 5. Зависимость КСВ тракта от частоты

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются следующие устройства: четвертьволновый трансформатор, последовательный шлейф, параллельный шлейф, два и три последовательных или параллельных шлейфа.
Такие согласующие устройства используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.
Четвертьволновой трансформатор. Это устройство представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением Wтр= W, включенным в разрыв основной линии передачи. Найдем место подключения трансформатора в линию и его волновое сопротивление. Принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:
13 EMBED Equation.3 1415,
где ZВX(z0) входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки ZH , в месте подключения трансформатора z0 (рис. 6); ZBX (z0 +
·/4) входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении (z0 +
·/4) с подключенным к нему отрезком линии длиной z0, нагруженной сопротивлением нагрузки ZH .

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 6. Согласование линии с нагрузкой с помощью четвертьволнового трансформатора

Условия согласования требуют, чтобы ZBX (z0 +
·/4) = W , т. е. ZBX (z0) W = =WTP 2. Отсюда следует, что ZBX (z0) должно быть чисто действительной величиной: 13 EMBED Equation.3 1415.
Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии z0, в которых входное сопротивление линии чисто активное. Входное сопротивление линии чисто активное в сечениях линии, где напряжение достигает максимума или минимума. Поэтому четвертьволновый трансформатор включается в максимумах или минимумах напряжения и его волновое сопротивление определяется соотношением:
13 EMBED Equation.3 1415. (28)
В максимумах напряжения RBХ = Wkсв, поэтому при включении трансформатора в максимум напряжения его волновое сопротивление WTP > W. В минимумах напряжения RBX = W/kcв, поэтому при включении трансформатора в минимум напряжения WTP < W . Таким образом, выбор места включения трансформатора (максимум или минимум напряжения) определяет соотношение его волнового сопротивления с волновым сопротивлением линии, а это, в свою очередь, определяет соотношение геометрических размеров поперечного сечения трансформатора и линии.
Последовательный шлейф. Такое согласующее устройство представляет собой отрезок обычной короткозамкнутой линии длиной lш, с волновым сопротивлением W, который включен в разрыв одного из проводов линии (рис. 7). Согласование достигается за счет подбора места включения шлейфа и его длины.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 7. Последовательный короткозамкнутый согласующий шлейф

Вычислим zш и lш из условия согласования линии в сечении zш. В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа включено последовательно с выходным сопротивлением линии. Общая сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии, а именно:
13 EMBED Equation.3 1415. (29)
Тогда: 13 EMBED Equation.3 1415.
Можно также показать, что
13 EMBED Equation.3 1415, (30)
где 13 EMBED Equation.3 1415.
Из (30) следует, что последовательный шлейф нужно включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии. Длину шлейфа подбирают из условия равенства по величине и противоположности по знаку реактивного сопротивления реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа.
Основной недостаток подобного согласования в том, что при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Понятно, что конструктивно это очень неудобно.
Параллельный шлейф. Такое устройство имеет вид, показанный на рис. 8. Как и для последовательного шлейфа, согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию и его длиной. В этом случае условие согласования имеет вид:
13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415 – входная проводимость линии в месте подключения шлейфа, 13 EMBED Equation.3 1415 – реактивная проводимость шлейфа длиной 13 EMBED Equation.3 1415. Тогда можно найти, что:
13 EMBED Equation.3 1415. (31)
Расчетные соотношения для zШ и lШ будут равны:
13 EMBED Equation.3 1415. (32)
где zmax – расстояние от нагрузки до первого максимума напряжения.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 8. Согласующий короткозамкнутый параллельный шлейф

Т.о., параллельный шлейф нужно включать в таком сечении линии, в котором активная часть входной проводимости линии равна волновой проводимости, а длину шлейфа следует выбирать так, чтобы его реактивная проводимость компенсировала реактивную часть входной проводимости линии.
Недостатки параллельного шлейфа: при изменении нагрузки изменяются длина шлейфа и место его включения в линию. Поэтому в экранируемых линиях менять место включения шлейфа весьма неудобно. В виду чего в качестве согласующего устройства нашли применение два и три последовательных или параллельных шлейфов.
Устройства широкополосного согласования. На практике применяются сочленения и элементы тракта, предназначенные для работы в полосе частот 10% и более. Такую полосу частот принято называть широкой, а устройства, работающие в такой полосе, широкополосными. В технических требованиях к этим устройствам указывается полоса частот и допустимое рассогласование в этой полосе. Задача широкополосного согласования возникает, например, при необходимости стыковки линий передачи с различными размерами или формами поперечных сечений, а также при работе тракта с широкополосными сигналами, например, линейно частотномодулированными или шумоподобными.
Основными широкополосными согласующими устройствами являются:
широкополосные частотные компенсаторы;
ступенчатые трансформаторы;
плавные переходы или неоднородные линии.
Рассмотрим принцип работы каждого из этих устройств.
Принцип частотной компенсации состоит во взаимной компенсации частотных изменений сопротивления нагрузки и согласующих элементов. Его можно осуществить за счет подбора необходимого закона частотного изменения сопротивления согласующих элементов. Рассмотрим широкополосное согласование комплексных сопротивлений с помощью одного шлейфа (рис. 9).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 9. Согласование в полосе частот с помощью одного шлейфа

В соответствии с (27) входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415.
В этом случае входная проводимость шлейфа равна
13 EMBED Equation.3 1415,
т.е. подбором величины волнового сопротивления и длины шлейфа можно менять полосу частот, в которой реактивная проводимость изменяется в допустимых пределах.
Активная составляющая проводимости нагрузки может быть согласована с помощью четвертьволнового трансформатора.
Ступенчатые трансформаторы. Они используются для согласования линии передачи с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую. Ступенчатые трансформаторы представляют собой каскадное включение отрезков линии передачи с разным волновым сопротивлением, но имеющими одинаковую длину l (рис. 10).

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 10. Ступенчатый трансформатор

Волновые сопротивления соседних ступенек отличаются незначительно, и поэтому отражения от них невелики. Принцип работы заключается в том, что всегда имеется пара ступенек, отражение от которых компенсируется. Чем больше ступенек, тем лучше согласование и шире полоса пропускания. Структура трансформатора определяется числом ступенек n, длиной ступеньки l и отношением волновых сопротивлений соседних ступенек. Свойства трансформатора описываются его частотной характеристикой – зависимостью рабочего затухания от частоты.
Под рабочим затуханием понимают величину
13 EMBED Equation.3 1415, (34)
где РВХ, РВЫХ – мощность на входе и выходе трансформатора. Затухание в трансформаторе определяется отражениями от его входа в полосе частот.
Определение структуры трансформатора по заданным полосе частот и допустимому рассогласованию является задачей синтеза согласующего устройства. Решение подобной задачи рассмотрено в [4].
Плавные переходы. Они используются также для согласования активных нагрузок и могут рассматриваться как предельный случай ступенчатого перехода при увеличении, числа ступенек n до бесконечности и неизменной длине перехода. Частотные характеристики плавных переходов непериодические.
Плавный переход, по существу, является нерегулярной двухпроводной линией передачи, в которой погонные параметры и волновое сопротивление функции продольной координаты. При этом эквивалентная схема элементарного участка такой линии длиной dz имеет вид, как и для регулярной линии (см. рис. 2). Поэтому остаются справедливыми телеграфные уравнения (2). Все входящие в эти уравнения величины зависят от z. В частности, для двухпроводной экспоненциальной линии (рис. 11) при увеличении z растет |Z1|, а |Y1| уменьшается.
Это обусловлено увеличением погонной индуктивности L1 и уменьшением погонной емкости С1 вызванными увеличением расстояния между проводами. Можно подобрать геометрию линии так, чтобы оставалась постоянной вдоль линии величина 13 EMBED Equation.3 1415. Можно показать, что волновое сопротивление в такой линии изменяется по экспоненциальному закону:
13 EMBED Equation.3 1415, (35)
где W0 волновое сопротивление в начале линии; b коэффициент, определяющий скорость изменения волнового сопротивления вдоль линии. Подбирая значения W0 и b, можно обеспечить широкополосное согласование. Эффективность согласования зависит от скорости изменения волнового сопротивления вдоль линии. Чем медленнее изменяется W, тем шире полоса согласования и больше длина перехода.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 11. Плавный переход в виде экспоненциальной линии

Недостатком плавных экспоненциальных переходов является их большая длина при значительных перепадах волнового сопротивления. Например, при W(z = l)/W0=ebl = 7,4 и допуске на рассогласование |Гmах| < 0,05 длина перехода l >3
· .
Сравнение ступенчатых и плавных переходов показывает, что при одинаковых параметрах длина ступенчатого перехода заметно меньше, чем плавного. Однако при этом полоса пропускания плавного перехода гораздо шире. При повышенных требованиях к электрической точности плавный переход предпочтительнее ступенчатого. Снижение электрической прочности последнего объясняется концентрацией электромагнитного поля в местах стыков отдельных ступенек. Следует отметить, что существует теоретическое ограничение на ширину полосы согласования, которое устанавливается теоремой Фано:
13 EMBED Equation.3 1415, (36)
где Q – добротность нагрузки, определяемая как отношение реактивной мощности, накапливаемой в нагрузке на средней частоте f0, к мощности тепловых потерь. Согласование невозможно также на частотах, соответствующих бесконечно большим реактивным сопротивлениям или проводимостям нагрузки.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

Вопросы:
Дать определения основных электрических параметров и характеристик линии передачи.
Дать определения коэффициента отражения напряжения, коэффициента стоячей волны напряжения, пояснить их взаимосвязь.
Как рассчитать коэффициент отражения напряжения от нагрузки линии передачи?
Охарактеризовать режимы работы линии передачи.
Дать определение входного сопротивления отрезка линии передачи, пояснить, от чего оно зависит.
Каковы цели согласования линии передачи с нагрузкой? В чем заключается основной принцип согласования линии с нагрузкой и условие согласования?
Как строятся устройства узкополосного и широкополосного согласования?

Задание:
Изучить особенности режимов работы линии передачи и уяснить трансформирующие свойства отрезка линии передачи [1-3].




Генератор

ZH

z

dz

0


·=0


·>0

z 0

13 EMBED Equation.3 1415

z 0

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

а)

б)

Im(U)

Re(U)

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

U


·z

-
·z

f

kсв

kсв доп

2
·f

f0


Г

ZH

W

W

WTP

0

z

z0

z0+
·/4


·/4

ZH





W

ZH





W

W





ZH

W0

W1

W2

W3

l

l

l

W0

z

0



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 18813887
    Размер файла: 292 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий