Связь контуров из отрезков длинных линий с полезной нагрузкой генератора

При расчёте связи контура с полезной нагрузкой генератора необходимо обеспечить требуемое эквивалентное сопротивление контура и КПД контура не ниже принятого значения. В диапазоне СВЧ полезная нагрузка, как правило, находится на некотором расстоянии от генератора, сравнимом с длиной волны рабочих колебаний, поэтому её приходится присоединять к генератору с помощью фидера.

При рассмотрении способов связи с контурами из отрезков длинных линий мы будем полагать фидер согласованным с полезной нагрузкой генератора, что желательно, хотя не всегда может быть обеспечено, особенно в диапазонных и широкополосных генераторах.

Следует отметить, что точность расчёта элемента связи нагрузки с контуром на СВЧ оказывается сравнительно невысокой, поскольку элемент связи всегда нарушает структуру электромагнитного поля в пространстве между проводами отрезка линии контура. Учесть эти изменения при расчёте практически не представляется возможным. Кроме того, реально никогда не удаётся получить только один вид связи: всегда одновременно с помощью того же элемента осуществляется и другой вид связи, который часто не поддаётся расчёту.

Поэтому при расчёте связи на СВЧ должны быть определены порядки величин и ориентировочные конструктивные размеры элемента связи. Окончательное определение параметров элемента связи производится при лабораторной или заводской доводке генератора.

Большой разброс параметров АЭ и колебательных контуров из отрезков длинных линий в условиях крупносерийного производства заставляет проектировщика предусматривать возможность изменения связи в процессе настройки и регулировки генератора. Поэтому расчёт связи с нагрузкой производится с 20…30%-м запасом.

На СВЧ, как и на высоких частотах, используются три основных вида связи колебательного контура с нагрузкой:

1. индуктивная, или трансформаторная, связь;

2. кондуктивная, или автотрансформаторная, связь;

3. ёмкостная связь.

Иногда используется комбинированный вид связи.

Индуктивная связь с помощью коротких витков и петель связи

И ндуктивная связь реализуется с помощью так называемых коротких витков в случае двухпроводных линий (рис.12.13,а) и петель связи при использовании контуров из отрезков коаксиальных линий (рис.12.13,б).

Виток связи обычно выполняется в виде короткозамкнутого отрезка двухпроводной линии с такими же параметрами, как у линии контура: сечение проводов, расстояние между проводами. Длина отрезка, образующего виток, берётся значительно меньше длины отрезка контура (отсюда и название – короткий виток). На практике стремятся иметь , чтобы избежать большой индуктивности витка .

Для передачи в нагрузку (фидер) требуемой мощности необходимо обеспечить в нём бегущую волну тока амплитудой

, (12.30)

где - колебательная мощность, поставляемая в фидер; - волновое сопротивление фидера, согласованного с полезной нагрузкой генератора.

На рис.12.14,а представлена эквивалентная схема витка связи, согласно которой

, (12.31)

где е - величина ЭДС, создаваемой в витке связи (равна величине наводимого в витке напряжения).

Вопрос о величине необходимой связи и размерах витка разрешается из условия равенства (12.30) и (12.31).

Регулировать связь можно изменением расстояния h между линией контура и витком связи, а также перемещением витка вдоль отрезка линии контура. Чем меньше расстояние между витком и линией контура, а также чем ближе виток располагается к короткозамыкателю (где находится пучность тока, соответственно и максимум магнитного поля), тем сильнее связь. Увеличение длины витка также приводит к увеличению наводимой в нём ЭДС, но это увеличение ЭДС, начиная с , незначительно, тогда как индуктивность витка , соответственно и сопротивление его , при этом существенно возрастает и создаваемый в фидере ток (12.31) уменьшается, что уменьшает передаваемую в фидер мощность.

Чтобы облегчить передачу в нагрузку требуемой мощности и уменьшить размеры витка связи, применяют последовательную (рис.12.14,б) или параллельную (рис.12.14,в) настройку витка с помощью конденсатора настройки .

Последовательная настройка витка применяется при , а параллельная – при . Виток связи и ёмкость при настройке проявляют себя как колебательный контур, соответственно последовательный или параллельный, добротность которого больше единицы, что облегчает реализацию необходимой связи. Величина ёмкости конденсатора настройки витка связи находится из условия резонанса:¹⁰

, (**)

где - круговая частота рабочих колебаний.

Амплитуда тока в фидере при настройке витка связи

.

Для сохранения симметрии схемы генератора ёмкость при последовательной настройке витка реализуется в виде двух последовательно включенных конденсаторов ёмкостью 2 каждый.

Применение настройки витка усложняет элемент связи, но с этим приходится мириться, когда важны энергетические показатели генератора.

При использовании петли связи с контуром из отрезка коаксиальной линии (рис.12.13,б) величину связи можно регулировать поворотом петли вокруг оси, проходящей через её плоскость, изменяя этим эффективную площадь петли , определяемую соотношением

,

где S - площадь петли связи; - угол между плоскостью петли связи и плоскостью, проходящей через ось поворота петли и ось отрезка коаксиальной линии контура.

Чем больше , тем сильнее связь (максимальная связь оказывается при совпадении плоскости петли с плоскостью, проходящей через оси коаксиальной линии контура и поворота петли; при развороте петли на 90° относительно названного положения связь становится минимальной).

Чем ближе петля связи размещается к пучности тока, то есть ближе к короткозамыкателю контура, тем сильнее связь.

Длину петли связи , как и длину коротких витков , обычно принимают:

Увеличение длины петли связи сверх этой величины почти не меняет количества магнитных силовых линий, пронизывающих её плоскость, так как основной поток магнитных силовых линий сосредоточен в области пучности тока в отрезке контурной линии на участке (1/10…1/8). Увеличение длины петли связи приводит к росту её индуктивности , что затрудняет передачу в нагрузку требуемой мощности. Для компенсации индуктивного сопротивления петли связи используют настройку её при помощи ёмкости , реализуемой в виде конструктивно выполняемого конденсатора (рис.12.15,а) или ёмкостного шлейфа (рис.12.15,б, в).

В схемах (рис.12.15,а,б) используется последовательная настройка петли связи, а в схеме (рис.12.15,в) – параллельная настройка. Необходимая величина ёмкости конденсатора настройки рассчитывается, как и в случае короткого витка, из условия резонанса (**), в котором вместо индуктивности витка следует учитывать индуктивность петли .

Геометрическая длина короткозамкнутого шлейфа может быть найдена по формуле¹¹

,

где - волновое сопротивление линии шлейфа.

Связь с помощью витков и петель связи используется в мощных генераторах, так как эти элементы связи практически не ухудшают электрическую прочность контура, будучи расположенными вблизи короткозамыкателя, то есть в точках с относительно малыми действующими напряжениями.

Кондуктивная связь

При кондуктивной связи с контуром полезная нагрузка подключается непосредственно к проводам отрезка линии контура в сечении .

Реализация кондуктивной связи в случае контуров из короткозамкнутых отрезков двухпроводной и коаксиальной линий показана на рис.12.16. Аналогично осуществляется кондуктивная связь с контурами на основе разомкнутых отрезков линий.

Кондуктивная связь нагрузки с контуром применяется при фиксированной частоте генератора или при ёмкостной перестройке (настройке) контура. При перестройке контура изменением геометрической длины отрезка линии кондуктивная связь оказывается неудобной, особенно в случае контуров из отрезков коаксиальных линий из-за создаваемых ею ограничений на перемещение поршня (короткозамыкателя) и невозможности регулировки связи.

При кондуктивной связи фидер (нагрузка) подключается к контуру в сечении отрезка линии, где напряжение равно необходимому для передачи в нагрузку (фидер) требуемой мощности.

При согласовании фидера с нагрузкой в нём должна быть обеспечена бегущая волна напряжения с амплитудой

(12.32)

где - требуемая мощность в полезной нагрузке ; - волновое сопротивление фидера, согласованного с полезной нагрузкой.

Если принять, что подключение нагрузки (фидера) к контуру не изменяет закон распределения напряжения вдоль проводов отрезка линии контура, то подключать фидер к контуру следует в сечении , в котором напряжение равно требуемому на входе фидера (12.32).

В случае короткозамкнутого отрезка линии контура согласно (12.12) при

. (12.33)

Напряжение на входе отрезка, соответствующее напряжению на выходе АЭ и равное напряжению на ёмкости , определяется (12.12) при , то есть

Соответственно, напряжение в сечении (12.33)

. (12.34)

Приравнивая (12.32) и (12.34), определяем положение точек подключения нагрузки (фидера) к контуру:

. (12.35)

При работе контура на высшем тоне (12.35) можно изменить на целое число полуволн, принимая

(12.36)

Кроме того, так как одно и то же значение случается дважды в интервале полуволны рабочих колебаний, то можно также принимать

(12.37)

В (12.36), (12.37) , где n – номер высшего рабочего тона КС.

Для реализации выбирается удобное значение из (12.35) – (12.37). Обратим внимание, что физически должно быть .

Подобные выражения для определения могут быть получены для контуров из разомкнутых отрезков. Для таких контуров согласно (12.13)

.

Приравнивая последнее соотношение и (12.32), получим выражение для определения . При работе КС на высшем тоне значение может быть изменено на целое число полуволн аналогично (12.36), (12.37).

С влиянием фидера (нагрузки) на распределение напряжения и тока вдоль проводов отрезка линии контура можно не считаться, если выполняется соотношение

(I)

при использовании короткозамкнутого отрезка или соотношение

(II)

в случае разомкнутого отрезка линии, где - волновое сопротивление линии контура; , - величина сопротивления отрезка линии контура длиной , соответственно короткозамкнутого и разомкнутого.

На рис.12.17 представлена эквивалентная схема кондуктивной связи нагрузки с контуром на основе короткозамкнутого отрезка линии (рис.12.17,а) и распределение тока вдоль проводов контура при работе на основном тоне (рис.12.17,б).

Ток на входе отрезка линии контура длиной

.

Ток на выходе отрезка линии длиной

.

Величина этого тока на основании записанных соотношений

.

Если , то , то есть скачок тока в линии контура в месте включения нагрузки (фидера) около 5%.¹² Чем больше сопротивление нагрузки по сравнению с сопротивлением короткозамкнутого отрезка линии контура длиной (I), тем меньше величина скачка тока в проводах линии в сечении и с ним практически можно не считаться. Аналогично получается и в случае контура на основе разомкнутого отрезка линии при выполнении соотношения (II).

Если сопротивление нагрузки будет меньше, чем требуется (I), (II), то ток в проводах линии претерпевает большой скачок в месте подключения нагрузки х = и характер его распределения вдоль проводов линии уже нельзя считать монотонным. В частности, если , то нагрузка будет проявлять себя как короткозамыкатель. Соответственно, в случае контура на основе короткозамкнутого отрезка линии короткозамкнутый участок длиной перестаёт влиять на процессы в контуре, то есть контур превращается в другой контур с длиной отрезка . В случае контура на основе разомкнутого отрезка линии при участок со стороны разомкнутого конца перестаёт оказывать влияние на процессы в контуре, а сам контур превращается в контур на основе короткозамкнутого отрезка линии длиной .

Сопротивление нагрузки можно пересчитать к месту включения АЭ (к ёмкости ), исходя из закона сохранения энергии, согласно которому

,

где - пересчитанное к месту включения АЭ сопротивление нагрузки .

Из последнего соотношения

.

Если с влиянием нагрузки на распределения напряжения и тока вдоль проводов линии контура можно не считаться, то в случае, например, короткозамкнутого отрезка

.

Соответственно

. (12.38)

Аналогичное выражение можно получить и для контура на основе разомкнутого отрезка линии. Отличие будет только в замене функции распределения напряжения – синус на косинус.

Эквивалентное нагруженное сопротивление контура (сопротивление нагрузки АЭ)

; (12.39)

КПД контура

, (12.40)

где - ненагруженное эквивалентное сопротивление контура, определяемое, соответственно, согласно (12.26) или (12.27).

Определяемое (12.39) значение должно быть не меньше требуемого для обеспечения рассчитанного режима работы АЭ генератора. Если оказывается существенно больше необходимого (если меньше, то нужная мощность в нагрузке не может быть обеспечена), то из (12.39) следует определить

и, исходя из найденного значения , определить место подключения нагрузки (фидера). В случае, например, контура из короткозамкнутого отрезка согласно (12.38)

.

Аналогично в случае контура из разомкнутого отрезка линии. Отличие в замене функций синуса на функции косинуса.

КПД контура (12.40) в этом случае будет выше, а мощность в нагрузке больше:

.

Найденное значение может быть соотнесено с , как это отражено в (12.36) и (12.37).

В отдельных схемах генераторов на контуре присутствует постоянное напряжение, которое при кондуктивной связи попадает на фидер и через него на полезную нагрузку, что недопустимо. Для исключения попадания при кондуктивной связи с нагрузкой постоянного напряжения питания генератора на фидер, последний подключается к контуру через разделительный конденсатор, сопротивление которого должно быть существенно меньше сопротивления фидера (в случае двухпроводного фидера должно быть два разделительных конденсатора, по одному в месте присоединения каждого провода, для сохранения симметрии схемы). Обычно разделительные конденсаторы выполняются конструктивно в токосъёмниках при использовании двухпроводного фидера или в месте присоединения центрального провода коаксиального фидера.