12.2.2. Узкополосное согласование с помощью реактивных элементов

Параметры схемы, обеспечивающей узкополосное согласова­ние, определяют из условия обеспечения идеального согласо­вания (Г_о=0, КБВ = 1) на заданной частоте. В данном случае полоса согласования не контролируется. Она определяется или из анализа синтезированной схемы или экспериментально. При этом относительная полоса согласования может находиться в очень широких пределах (от сотых долей процента до нескольких десятков процентов) и зависит от КБВ_Д0П и частотных свойств нагрузки. Как следует из (12.24), при подключении к линии с волновым сопротивлением Z_B нагрузки Z_H=Z_B, z_H = 1 величина Г₀ = 0, т.е. в линии отсутствует отраженная волна, при этом согласно (12.22) во всех сечениях линии полное нормированное сопротивление z_n (z) = 1 и полная нормированная проводимость y_П(z)=1

Одним из простейших устройств, обеспечиваюших узкополосное согласо­вание нагрузки Z_H = R_H + iX_H с линией, имеющей волновое сопротивление Z_B, является неоднородность, помещенная в линию на некотором расстоянии l₁от нагрузки. Пренебрегая вносимыми поте­рями, неоднородность можно рассмат­ривать как реактивное сопротивление iX_согл или реактивную проводимость На рис. 12.15, а показана эквивалентная схема с параллельным, а на рис.12.15,б-с последовательным включением в линию согласующей неод­нородности. Введем нормированные зна­чения для всех сопротивлений и прово- димостей, выбрав

Предполагаем, что расстояние между се­чениями 1-1 и 2-2 много меньше длины волны в линии и можно считать 1=0. Рассмотрим согласующую схему, изображенную на рис.12.15,а. Поскольку согласующий элемент включается в линию параллельно, то удобнее оперировать с полной нормированной проводимостью в сечении линии. Пусть полная нормированная проводимость в сечении 1-1 равна тогда в сечении 2-2 полная нормированная проводимость будет равна

Волна, распространяющаяся по линии, не будет испытывать отражение в сечении 2-2 (Г₀=0), если в этом сечении Уп2=1; для этого необходимо, чтобы выполнялось равенство откуда получаем g₁=1 и b_согл=-b₁. На этом основании величина l₁ вычисляется с помощью (12.26) из условия, чтобы активная часть полной нормированной проводимости в сечении 1-1 была равна 1, а величина b_согл была равна взятой с обратным знаком реактивной части полной нормированной про­водимости в сечении 1-1.

Рассмотрим расчет величин l₁ и b_согл (см. рис.12.15,а) с помощью диаграммы. Пусть точка А (рис. 12.16) соответствует сечению линии, в котором подключена нагрузка, а также сечениям линии, отстоящим от него на расстояние, равное целому числу полуволн в линии. Во всех этих сечениях полное нормированное сопротивление z_A = z_H=r_H+ix_H. Пунктирная окружность, проходящая через точку А, соответствует КБВ₁ (см. рис.12.13). Перейдем к диаграмме полных нормированных проводимостей. На этой диаграмме сечению, в котором подключена нагрузка, соот­ветствует точка М, образующаяся перемещением из точки А по пунктирной окружности на рас­стояние Δl/Λ= 0,25. Отсчитаем по­лную нормированную проводи­мость в точке М, равную нормиро­ванной проводимости нагрузки

Проводим из центра прямую через точку М до пересечения с азимута­льной шкалой (точка D). Пере­мещаясь по той же пунктирной окружности из точки М в сторону генератора, находим точки пере­сечения В и С этой окружности с окружностью, проходящей через центр диаграммы (ей соответствует активная нормированная проводимость g=1). Проводим из центра прямые через точки В и С до пересечения с азимутальный шкалой (точки Е и F). По азимутальной шкале опре­деляем расстояния DE и DF, соответствующие двум значениям l₁/Λ .По найденным значениям l₁/Λ, предварительно вычислив Λ для заданной частоты, можно рассчитать расстояние U от нагрузки (или от сечения линии, в котором полное сопротивление равно сопротивлению нагрузки) до сечений линии, соответствующих точ­кам B и С, в которых следует параллельно подключить согла­сующий элемент. По диаграмме определяем величину полной нормированной проводимости, соответствующую точкам В и С: . причем поскольку точки Б и С расположены симметрично относительно горизонтальной прямой, проходящей через центр диаграммы, то b_в=-b_с- Реактивность согласующего элемента, подключаемого к линии, должна компенсировать реак­тивную часть полной проводимости в сечении подключения, т.е. для сечения, которому соответствует точка В, b_com=-b_B или

X _согл =Z_B/b_B< а для сечения, которому соответствует точка С, b_согл =-b_с или X_согл =Z_B/bc. Как следует из сказанного, в пределах полуволны от нагрузки (или от любого сечения, отстоящего от нагрузки на целое число полуволн в линии) вдоль линии имеются два сечения (точки В и С на диаграмме), в которых можно поместить сог­ласующую неоднородность, причем требуемая для согласования эквивалентная реактивность неоднородности в этих сечениях имеет разный знак, т.е. если в одном сечении необходимо под­ключить индуктивный элемент, то в другом обязательно емко­стной и наоборот.

Обычно стараются включить согласующую неоднородность как можно ближе к нагрузке, т.е. выбрать минимальное значение l₁ Этим преследуют две цели: во-первых, повышают КПД линии, поскольку при наличии тепловых потерь в линии чем меньше l₁, тем меньшее затухание испытывает отраженная от нагрузки волна; во-вторых, уменьшение l₁, приводит к увеличению полосы согласования при заданном КБВд_ОП. Последнее обстоятельство связано с тем, что отраженные волны от нагрузки и от неодно­родности полностью компенсируют друг друга лишь на расчетной частоте, где они имеют сдвиг по фазе, равный π; при отклонении частоты от расчетной этот сдвиг будет отличаться от π, и отличие тем больше, чем больше величина l₁.

В согласующей схеме (см. рис. 12.15, б), где согласующий эле­мент, имеющий нормированное сопротивление z_corn = i х_СОГл, под­ключается последовательно к линии, длина отрезка l₁ вычис­ляется с помощью (12.26) или с помощью диаграммы из условия, чтобы активная часть полного нормированного сопротивления в сечении 1-1 была равна 1, в этом случае z₁ + ix₁. Величину Хсо_ГЛ выбирают из условия х_согп=-х₁. При этом в сечении 2-2 полное нормированное сопротивление равно 1, что и обеспечивает отсутствие отраженной волны на участке от сечения 2-2 до генератора.

В рассматриваемых схемах при использовании линий с ТЕМ-волнами на сравнительно низких частотах в качестве согласующих элементов используют элементы с сосредоточенными парамет­рами (конденсаторы или индуктивности). На более высоких частотах, где затруднено использование подобных элементов, применяют элементы с распределенными параметрами, например, реактивные шлейфы, позволяющие, как видно из (12.28), обес­печить любое значение индуктивного или емкостного входного сопротивления на расчетной час­тоте. На рис. 12.17 показаны экви­валентные согласующие схемы, использующие параллельное под­ключение шлейфов с режимами холостого хода и короткого замы­кания на конце. Величины l₁,и Х_согл рассчитываются по рассмотренной выше методике для схемы (см. рис.12.15,а). Затем, выбрав волно­вое сопротивление шлейфа Z_Bшл, определяем или из (12.28) или с помощью диаграммы длину шлей­фа l_шл, при которой величина входного сопротивления шлейфа равна Хсогл.

В волноводных линиях передачи в качестве согласующих элементов схем (см. рис.12.15) обычно используют малогаба­ритные неоднородности-реактивные штыри или реактивные диафрагмы (см. 12.5).