1.3 Змішані хвилі в лінії Утворенн і властивості змішаних хвиль.

Лінія неузгоджена з навантаженням

Якщо активний опір навантаження не дорівнює хвилевому опору лінії : , то пряма електромагнітна хвиля частково поглинається навантаженням, і частково відбивається. У лінії одночасно існує та, що біжить і стояча хвилі. Їх сукупність називається змішаною хвилею.

Графіки зміни напруги і струму уздовж лінії мають вузли і пучності. Проте у вузлах амплітуда більше нуля, а в пучностях - менше подвоєної амплітуди БХ. Якщо , то у кінці лінії пучність напруги і вузол струму і за властивостями вона наближається до РЗЛ.

Якщо - навпаки

Вхідний опір такої лінії носить активно-реактивний характер і змінюється залежно від довжини лінії і частоти.

Рис. 1.23

а) Схема неузгодженої лінії;

б) епюри напруги струму для випадку: ;

в) те ж для випадку: .

Коефіцієнт біжучої та стоячої хвиль ( і ).

Коефіцієнтом біжучої хвилі ( ), називається відношення мінімальної амплітуди змішаної хвилі до максимальної.

При БХ: =1.

При СХ: =0, оскільки .

Його можна виразити і через опір.

При

При

Коефіцієнт стоячої хвилі - величина зворотна коефіцієнту біжучої хвилі.

При БХ: . При .

Недоліки режиму змішаних хвиль у фідерах:

1. Зростання можливості пробою за рахунок збільшення амплітуди напруги в пучностях.

2. Зниження ККД фідера за рахунок віддзеркалення частини енергії від навантаження.

ККД неузгодженого фідера можна приблизно розрахувати по формулі:

Чим більше розлагодження (різниця між і ), тим менше і більше , тим нижче .

Приклад: Розрахувати значення , і фідера, що має =360 (Ом) і , якщо він навантажений на опори: (Ом); (Ом); (Ом).

Відповіді: ; =0; =0,83;

=0,25; =4; =0,54;

=0,1; =10; =0,17.

Способи узгодження фідера з навантаженням

Лінії фідерів

Слово фідер походить від англійського «to feed» - (живити). У радіотехніці фідери використовуються для передачі енергії радіосигналів від одного пристрою до іншого, віддаленому на відстань, сумірну з довжиною хвилі.

Фідери повинні відповідати наступним вимогам:

1). Втрати енергії мають бути мінімальні - ККД досить високий.

2). Має бути забезпечена передача заданої потужності.

3). Фідер не повинен випромінювати або приймати радіохвилі (відсутність антенного ефекту).

4). Фідер не повинен порушувати роботу і змінювати частоту коливань ГВЧ.

5). Постійність параметрів фідера має бути забезпечена в усій смузі робочих частот, а також при зміні в заданих межах температури, тиску, вологості повітря, механічних і інших діях.

6). Габарити, вага, вартість мають бути прийнятними.

Цим вимогам якнайкраще задовольняє лінія фідера, працююча в режимі БХ.

Типи ліній фідерів

Найбільш широке застосування знаходять двопровідні і коаксіальні лінії.

Рис. 1.24. Двопровідні лінії:

а) відкрита;

б) стрічкового типу;

в) екранована.

На рис. 1.24. показані різновиди двопровідних ліній. Відкриті і стрічкові лінії простіші за екранізовану, але при недотриманні умови: в них може виникнути антенний ефект.

Крім того, важко забезпечити електричну симетрію дротів лінії відносно землі і захистити лінію від неоднородностей, навколишніх провідників, що виникають за рахунок впливу. Від цих недоліків вільна екранована лінія, дроти якої симетричні, відносно заземленого обплетення-екрану, що запобігає зв'язку лінії з навколишніми провідниками. Проте в ній більше втрати.

Рис 1.25 Коаксіальна лінія:

а) з твердим діелектриком;

б) з повітряним діелектриком

На рис. 1.25 показані різновиди коаксіальних ліній. У них зворотним дротом є заземлений екран. ЕМП такої лінії цілком розташовано усередині екрану: е.с.л. – радіально, а м.с.л. – у вигляді концентричних кіл. Тому антенного ефекту немає. Для з'єднання такої лінії з симетричними антенами або двотактними схемами ГВЧ потрібно симетрируючі пристрої.

Узгодження фідера з навантаженням

Для передачі в навантаження максимальної потужності необхідно забезпечити узгодження як на вході, так і на виході фідера (рис. 1.26).

Рис 1.26 Схема включення ланцюгів, що узгоджують з фідером

Вхідний ланцюг (СЦ), що погоджує, погоджує вихідний опір ГВЧ з вихідним (при БХ - хвилевим) опором фідера з метою отримання максимальної потужності від ГВЧ, а вихідна - хвилевий опір фідера з вхідним опір навантаження з метою отримання БХ. Якщо містить реактивну складову, вона має компенсуватися елементами налаштування.

Високоякісний трансформатор, що погоджує

Як відомо, трансформатор (рис. 1.27) забезпечує узгодження в широкій смузі частот.

Рис. 1.27 Схема включення ВЧ узгоджуючого трансформатора.

Проте в даному випадку, для компенсації індуктивного опору обмоток і , ланцюги обмоток налагоджені в резонанс конденсаторами , і , чим різко звужується смуга пропускання.

Оптимальний коефіцієнт трансформації розраховується по формулі:

.

Якщо потрібно трансформатор, що підвищує, і навпаки. Недоліком цього способу є неможливість його застосування на УКХ, починаючи з діапазону ДМХ, у зв'язку з посиленням витоку струму через міжвиткові ємності обмоток.

Приклад: Розрахувати коефіцієнт трансформації трансформатора, що забезпечує узгодження фідера з хвилевим опором 360 Ом і антени з вхідним опором 40 Ом, якщо його ккд рівний 0,64.

Відповідь: трансформатор знижує.

Чверть хвилевий трансформатор

На ДМХ як ланцюги, що погоджують, використовуються відрізки лінії. Як відомо, в точці де має місце пучність струму і вузол напруги вхідний опір лінії мінімальний, а пучність напруги і вузол струму відповідає максимальному опору. Відстань між цими точками - чверть довжини хвилі. Можна підібрати такий чвертьхвильовий відрізок, щоб його вхідний опір був погоджений з фідером, а вихідне - з навантаженням.

Рис 1.28 Чвертьхвильовий трансформатор, що погоджує

На рис. 1.28а показана схема узгодження з допомогою чверть хвилевого трансформатора для випадку, коли . На рис. 1.28б, в і г відповідно графіки струму, напруги і активного опору. При низькоомному навантаженні трансформатор наближається за властивостями до відрізку КЗЛ завдовжки . Його вхідний опір рівний: .

Для узгодження з фідером потрібно забезпечити рівність: . Отже:

Оскільки , підбір розрахункового значення можна робити, зміни, в порівнянні з фідером, відстань між дротами D, або їх діаметром d або підбираючи діелектрик з відповідною проникністю - Е. Недолік такого трансформатора - вузька смуга пропускання. Вже при незначному розладі: , і різко змінюється, узгодження порушується.

Приклад: Розрахувати хвилевий опір трансформатора, що забезпечує узгодження фідера з навантаженням, якщо (Ом); =40 (Ом).

Відповідь: (Ом).

Експоненціальний трансформатор

Для расширения полосы пропускания трансформатора сопротивления надо обеспечить в нём режим БХ, т.к. входное сопротивление линии при БХ активно и не зависит от частоты. В таком режиме работает экспоненциальный трансформатор. Он представляет собой линию, провода которая плавно сближается так, что расстояние между ними уменьшается (возрастает) по экспоненциальному закону: . Волновое сопротивление такого трансформатора равно:

Остаточно:

Тут коефіцієнт:

Рис. 1.29 Експоненціальний трансформатор

Формула виражає лінійний закон убування хвилевого опору трансформатора у міру його подовження. В точках підключення до фідера х=0 і . В точках підключення навантаження потрібно забезпечити рівність: . Враховуючи формулу і вважаючи довжину трансформатора l=x, отримаємо:

, якщо

чи , якщо

У останньому випадку застосовується трансформатор з дротами, що розходяться, і . Чим менше коефіцієнт α, тим більше плавніше змінюється , тим точніше дотримується режим БХ уздовж трансформатора.

На ДМХ ширше використовуються коаксіальні трансформатори і експоненціальною зміною діаметру зовнішнього або внутрішнього циліндра.

Паралельний шлейф

Усі розглянуті трансформатори забезпечують узгодження фідера з активним опором навантаження. Якщо навантаження містить і реактивну складову вхідного опору , то від неї походить відображення частини енергії і узгодження порушується.

Шлейфом називається відрізок КЗЛ, довжина якого підбирається так, щоб компенсувалося.

Рис. 1.30 Схема узгодження за допомогою паралельного шлейфу

Цей спосіб був запропонований В. В. Татариновым в 1929 році.

Якщо шлейф включається паралельно навантаженню, то умова компенсації (паралельного резонансу) виконується коли: .

Тут: - вхідний опір шлейфу.

Якщо шлейф включається паралельно вхідним затискам трансформатора, то ця умова змінюється: .

Де - вхідний реактивний опір трансформатора.

У разі застосування рухливого шлейфу (рис. 1.30) можна так підібрати відстань - від навантаження до точок а і b підключення шлейфу і , щоб одночасно виконувалося дві умови:

– узгодження: ;

– компенсації: .

В цьому випадку трансформатор не потрібно.

Якщо переміщення шлейфу по ліні неможливе (наприклад при використанні коаксіальних ліній), застосовуються два нерухомі шлейфи, довжини яких підбирають так, щоб одночасно виконувалися умови узгодження і компенсації.