Согласование нагрузок с линией передачи
Для обеспечения в линиях передачи режима бегущей волны применяются нагрузки. Нагрузки классифицируются на :
Согласованные нагрузки предназначены для поглощения мощности, передаваемой по линии передачи. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры и в виде меры согласования в измерительных устройствах СВЧ.
При включении согласующего элемента в линию должен обеспечиваться принцип согласования:
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.
При согласовании необходимо, чтобы сопротивление нагрузки 
удовлетворяло двум условиям:
1) Активная часть нагрузки должна равняться волновому сопротивлению линии:
, (1.1а)
2) Реактивная часть нагрузки должна равняться нулю:
. (1.1б)
Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (1.1), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.
Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:
‑ увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;
‑ увеличение электрической прочности линии;
‑ устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.
Основной характеристикой согласованной нагрузки является модуль ее коэффициента отражения 
(или соответствующие значения КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. Технически возможно создание нагрузок с 
в относительной полосе частот 20-30 % и более. Ввиду малости 
требования к фазе коэффициента отражения от нагрузки не предъявляются и эта фаза может иметь любое значение в интервале 0…2 
.
Наряду с КСВН для описания согласования линии передачи с генератором используются такие показатели, как
‑ коэффициент возвратных потерь
. (1.2а)
Иногда она выражается и с отрицательным значением, т.е.
; (1.2б)
‑ потери на рассогласование – рабочее затухание
(1.3а)
. (1.3б)
Согласование может быть выполнено в узкой или в широкой полосе частот.
Узкой принято считать полосу частот 
, составляющую единицы процентов от средней частоты 
. В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования 
. Типичный график зависимости КСВН тракта от частоты представлен на рисунке 1.2. Конкретное значение 
определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,1..2.
Рисунок 1.2 – Типичная зависимость КВСН тракта от частоты
В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются:
‑ два и три последовательных или параллельных шлейфа.
Данные согласующие устройств используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.
Рассмотрим применение указанных выше согласующих устройств.
Четвертьволновый трансформатор – устройство, представляющее собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением 
, включенным в разрыв основной линии передачи.
Найдем место включения трансформатора в линию и его волновое сопротивление. В предыдущей лекции было показано, что принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:
, (1.4)
где 
‑ входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки 
, в месте подключения трансформатора 
, как показано на рисунке 1.3;
Рисунок 1.3 – Согласование линии с нагрузкой с помощью
‑ входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении 
с подключенным к нему отрезком линии длиной , нагруженной сопротивлением нагрузки .
Условия согласования (1.1) требуют, чтобы 
, т.е. 
. Отсюда следует, что должно быть чисто действительной величиной: 
.
Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии , в которых входное сопротивление линии чисто активное. Такое наблюдается в сечениях, где напряжение достигает максимума или минимума:
. (1.5)
В максимумах напряжения 
. В связи с этим 
.
В минимумах напряжения 
, следовательно, 
.
На рисунке 1.4 представлены варианты исполнения четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной линий для двух рассмотренных случаев. Из анализа рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант . На рисунке 1.5 представлены эпюры напряжений в линии без согласующего устройства и согласующими четвертьволновыми трансформаторами и .
Рисунок 1.4 – Четвертьволновые трансформаторы:
а – на двухпроводной линии; б – на коаксиальном кабеле
Рисунок 1.5 – Эпюры напряжения в линии: а – с комплексной нагрузкой;
б – с комплексной нагрузкой и трансформатором ;
в – с комплексной нагрузкой и трансформатором
Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной 
с волновым сопротивлением W, который включается в разрыв одного из проводов линии, как показано на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 – Согласующий последовательный короткозамкнутый шлейф
Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию 
и длины шлейфа .
Найдем и из условия согласования линии в сечении . В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа 
включено последовательно с входным сопротивлением линии 
. Сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии:
.
; 
.
, 
, 
. (1.6)
Из анализа выражений (1.6) следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии. Длину шлейфа следует выбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа.
Недостаток – при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.
Рассмотрим параллельный шлейф. Согласующее устройство в виде параллельного шлейфа показано на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 – Согласующий параллельный короткозамкнутый шлейф
Согласование, как и для последовательного шлейфа, достигается подбором места включения шлейфа в линию и длины шлейфа .
Условие согласования имеет вид:
,
где 
‑ входная проводимость линии в месте подключения шлейфа;
, 
‑ активная и реактивная части входной проводимости;
‑ реактивная проводимость шлейфа длиной .
Отсюда следует, что
; 
;
; 
. (1.7)
Здесь 
‑ расстояние от нагрузки до первого максимума напряжения.
Параллельный шлейф необходимо включать в таком месте, 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 те же, что и для последовательного шлейфа.
Однако в двухпроводной линии параллельный шлейф может быть сделан подвижным, т.е. перемещающимся вдоль линии. В остальных типах линий применяют два и три последовательных или параллельных шлейфа. При этом добиваются того, чтобы активная часть входного сопротивления линии в месте включения второго шлейфа стала равной волновому сопротивлению линии. Подбирая длину второго шлейфа, компенсируют реактивную часть входного сопротивления линии. Аналогично работает и параллельное двухшлейфовое согласующее устройство. Однако объяснение принципа работы следует провести в терминах проводимостей.
Недостаток двухшлейфовых согласователей – не могут обеспечить согласование всех возможных нагрузок.
Дата добавления: 2015-11-06 ; просмотров: 11941 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
