Трансформаторы на отрезках линий

Для трансформации сопротивлений в мощных ГВВ используются широкополосные трансформаторы на отрезках длинных линий (ШТЛ), которые свободны от недостатков трансформаторов с общим магнитным потоком.

Рис. 10.14

Понятия «продольных» напряжений и токов

Рассмотрим отрезок идеальной «длинной линии» без потерь, согласованно нагруженный с обеих сторон (рис. 10.14). АЧХ отрезка линии теоретически является плоской в диапазоне частот от нуля до бесконечности. Энергия распространяется только «внутри» (между проводниками; внутри коаксиальной линии) линии.

Рис. 10.15

Токи в верхнем и нижнем проводниках линии равны друг другу в любом сечении. Если «заземлить» на входе нижний зажим линии, а на выходе – верхний, то есть создать простейший трансформатор – фазоинвертор, то АЧХ (рис. 10.15) такого устройства резко изменяется.

Индуктивности проводников линии оказываются под продольными напряжениями, по ним протекают продольные токи:

Источник сигнала и нагрузка шунтируются этими индуктивностями. Это является причиной падения коэффициента передачи на низких частотах.

Пони

Использование ферритов для уменьшения продольных токов

Рис. 10.16

Для того чтобы улучшить АЧХ в области нижних частот (уменьшить шунтирование нагрузки и источника индуктивными сопротивлениями проводников), необходимо увеличить индуктивности проводников линий, намотав линию на ферритовый сердечник (рис. 10.16).

Трансформаторы с коэффициентами трансформации 1:2 и 1:3

Рис. 10.17

Для создания широкополосного трансформатора на отрезках длинных линий используют несколько (n = 1, 2, 3, 4) линий, включенных с одной стороны параллельно, с другой – последовательно. Например, при использовании двух отрезков линий, получим схему, изображенную на рис. 10.17. Для того чтобы не нарушить условия согласования линий, необходимо слева подключить сопротивление W / 2, а справа – 2W. Таким образом, получен трансформатор с коэффициентом трансформации по напряжению 1 : 2. Верхняя линия должна быть намотана на ферритовый сердечник (чаще – кольцо). Индуктивное сопротивление проводника (ов) верхней линии шунтирует источник (нагрузку), уменьшая коэффициент передачи на низких частотах. Нижнюю граничную частоту _H полосы пропускания этого трансформатора можно приближенно определить из соотношения:

где L_ПР – индуктивность проводника верхней линии (продольная индуктивность).

Нижняя линия ШТЛ выполняет роль фазокомпенсирующей линии (ФЛ). Ее назначение – доставить напряжение U со входа ШТЛ на выход с той же фазой (задержкой), какую имеет напряжение на выходе верхней линии. Для этого линии делают одинаковой длины l. В этом случае напряжения линий на выходе ШТЛ имеют одинаковую фазу и АЧХ в области верхних частот будет плоской. Следует отметить, что проводники верхней линии находятся под продольным напряжением U (каждый).

Аналогично, при использовании трех отрезков линий, можно создать ШТЛ с коэффициентом трансформации по напряжению 1 : 3 (рис. 10.18). Однако линии этого ШТЛ находятся под разными продольными напряжениями. Действительно, к проводникам верхней линии приложено продольное напряжение 2U, а к проводникам средней – U. Это накладывает определенные ограничения на конструктивное исполнение ШТЛ. Если линии наматываются на одном сердечнике (кольце), то числа витков должны быть строго пропорциональны продольным напряжениям.

Рис. 10.18

Если на кольцо верхняя линия наматывается полностью, то средняя – наполовину. Конструкция ШТЛ (рис. 10.19) состоит при этом из трех линий: двух фазокомпенсирующих (ФЛ 1, ФЛ 2) и одной, намотанной на ферритовый сердечник. Числа витков последних отличаются в два раза.

Идею, реализованную на рис. 10.16, для ШТЛ 1 : 3 можно обобщить для ШТЛ с любым целочисленным коэффициентом трансформации 1 : n (n – число линий). Однако не следует пытаться реализовать ШТЛ с коэффициентом трансформации более четырех, так как неоднородности последовательно и параллельно соединенных линий, как правило, сильно искажают передаточные характеристики ШТЛ.

Рис. 10.19

Рис. 10.20

Выводы:

– В обмоточных трансформаторах такие паразитные элементы, как межобмоточная емкость и индуктивности рассеяния, ограничивают полосу рабочих частот сверху. А в трансформаторах типа ШТЛ они определяют волновые сопротивления линий, и при согласованном включении последних ограничения сверху (если не учитывать неоднородностей соединения линий) нет. В ШТЛ легко получить коэффициент перекрытия по частоте до 

– Число обмоток на сердечнике у ШТЛ существенно больше, чем у обмоточного трансформатора, что препятствует расширению полосы в область нижних частот. Действительно, для создания обмоточного автотрансформатора с коэффициентом трансформации 1 : 3 необходимо на кольцо намотать три обмотки с напряжением на каждой из них U. ШТЛ с коэффициентом трансформации 1 : 3 (рис. 10.18, 10.19) содержит шесть обмоток (в верхней линии две обмотки с напряжениями 2U и в средней линии две обмотки с напряжением U).