Устройства СВЧ и антенны

131

В диаграмме полных проводимостей меняется физический смысл характерных точек (рис. 4.10). Точка В означает теперь не режим х.х., а режим к.з. Наоборот, точка С соответствует теперь х.х (Y=0). Минимумам стоячей волны напряжения соответствует отрезок АВ. Правая полуплоскость соответствует положительной реактивности (емкости). Левая – отрицательной (индуктивности). Ниже приведена типовая диаграмма Вольперта – Смита.

Круговая диаграмма полных сопротивлений и проводимостей в полярной системе координат

133

Согласование лини передачи означает настройку этой линии на режим бегущей волны. Рассмотрим, какие преимущества имеет согласованная линия в сравнении с несогласованной.

Максимальная отдача мощности генератора в нагрузку. Если линия передачи имеет нулевую длину L=0 (нагрузка подключена к выходу генератора), то мощность, выделяемая на активном сопротивлении нагрузки rн , равна

Таким образом, при комплексном внутреннем сопротивлении генератора нагрузка должна иметь реактивную часть, противоположную по знаку реактивности сопротивления генератора. Однако если генератор имеет чисто активное сопротивление zг = zВ; xг =0 , максимальная отдача мощ-

ности в нагрузку получается при чисто активном сопротивлении нагрузки

zн = zВ; xн = 0.

В дальнейшем будем предполагать, что генератор с линией передачи согласован, т.е. условие (2.30) выполняется.

Определим, какая часть мощности выделяется на активном сопротивлении нагрузки, если Zн ¹ ZВ. В этом случае от нагрузки имеется отраженная волна. Если линия передачи не имеет потерь, то активная мощность

где Рпад – мощность, проходящая по линии передачи в режиме бегущей волны.Используя соотношения для КСВ, можно записать мощность, передаваемую в нагрузку в зависимости от КСВ

Таким образом, если линия передачи не согласована с нагрузкой, часть мощности генератора отражается и отдача в нагрузку в соответствии с соотношениями (5.3) и (5.4) не максимальна.

Максимальный коэффициент полезного действия линии передачи.

Предположим, что линия передачи имеет потери, характеризуемые коэффициентом затухания α. КПД линии передачи определяется как отношение мощности в конце Рн к мощности в начале линии Р0

η = Pн .

Р1отр = Р2 отр ×е− 2α L = P1пад × Г& 2 ×е−4α L

Используя эти условия, получим зависимость КПД линии передачи от величины модуля коэффициента отражения в виде

При Г=0 КПД максимален и равен

С увеличением отражения КПД уменьшается, причем особенно сильно для больших значений Г& .

Для пропускаемой линией передачи активной мощности в пучности напряжения можно записать

135

В результате, пропускаемая мощность уменьшается в ρ−1 раз. Рассмотрим методы построения согласующих устройств.

5.2. Общие принципы согласования нагрузки с линией передачи

Независимо от характера и типа согласующего устройства, а также полосы частот, в пределах которой сохраняется согласование, схема согласования имеет вид рис.

5.2. Назначение согласующего устройства – устранить отраженную от нагрузки волну. Эту задачу решают двумя различными методами:

- путем создания дополнительны отражений.

- путем поглощения отраженной волны в согласующем устройстве. При этом падающая

волна проходит через согласующее устройство практически без потерь.

- путем создания в линии передачи с помощью согласующего устройства еще одной отраженной волны, амплитуда которой равна амплитуде волны, отраженной от нагрузки. Фазы обеих отраженных волн отличаются на 1800. В результате отраженные волны компенсируют друг друга.

Первый метод согласования основан на применении либо мостовых схем, либо невзаимных устройств.

Согласующее устройство второго типа обычно состоит из реактивных элементов и практически не вносит потерь. Оно позволит получить входное сопротивление на стыке с линией, равное волновому Zвх =ZВ. В результате, в линии, левее места стыковки образуется бегущая волна.

Согласование методом дополнительных отражений невозможно, если сопротивление нагрузки чисто реактивное.

136

При нагрузке, сопротивление которой является комплексной величиной согласующее устройство должно быть реактивным.

Если нагрузка чисто активная, то согласующее устройство представляет собой ступенчатый либо плавный переход.

5.3 Узкополосное согласование

В задаче узкополосного согласования (УС) согласующие элементы строят из соображения получения полного согласования (Г=0) на одной фиксированной частоте. Степень согласования линии передачи с нагрузкой оценивается по характеристике согласования, которая представляет собой за-

висимость модуля коэффициента отражения Г& от частоты ω. Полоса УС

равна нескольким единицам процентов от ω0.

С энергетической точки зрения наибольший интерес представляет согласование с помощью недиссипативного четырехполюсника. Согласующее устройство должно обладать свойствами идеального трансформатора, преобразующего высокочастотные напряжения, токи и полные сопротивления из одного сечения в другое без внесения активных потерь. Такими трансформаторами могут быть индуктивные, емкостные диафрагмы и другие неоднородности, включаемые в линию.

Методика УС заключается в следующем. Проводимость нагрузки выражается через активную и реактивную проводимости

лельного включения в линию равной по величине и противоположной по знаку реактивной проводимости (-iB1). В результате входная проводимость нагрузки на зажимах 11

137

везде термины проводимость на сопротивление можно придти к схеме согласования, где компенсирующее реактивное сопротивление (-iX) включается в линию последовательно.

Рассмотрим наиболее распространенные типы трансформаторов полных сопротивлений.

Реактивные шлейфы. Отрезок линии передачи с режимом короткого замыкания или холостого хода в сечении нагрузки. Из формул трансформации (4.18) и (4.19) следуют формулы реактивных сопротивлений и проводимостей шлейфов:

ZB

Отрезки короткозамкнутых линий с длиной менее полуволны часто используют в качестве согласующих элементов, а также в качестве элементов колебательных контуров с распределенными параметрами. Разомкнутые отрезки применяют значительно реже. Причем в полых волноводах и многих других линиях передачи режим холостого хода нежелателен из-за интенсивного излучения выходного отверстия.

Диафрагмы в волноводах. Тонкая металлическая пластина с отверстием, помещенная в сечении волновода, называется диафрагмой. Диафрагмы используют как реактивные элементы для согласования сопротивлений.

На рис. 5.4,а схематично изображена симметричная диафрагма в волноводе прямоугольного сечения. Диафрагма имеет прямоугольное сечение с размерами а/ и b. Для волны Н10 диафрагма возмущает магнитное поле, и поэтому данная неоднородность может быть представлена в виде индуктивности (рис. 5.4,a). Диафрагма носит название индуктивной. Относительную величину реактивного сопротивления можно вычислить по следующей приближенной формуле [3]

140

Т.о. в принципе (без учета активных потерь в трансформаторе) при помощи λ¤4 трансформатора можно согласовать нагрузку с любым конечным значением коэффициента стоячей волны. Однако плавно регулировать согласование при изменении КСВ нагрузки с помощью λ¤4 трансформатора нельзя. Притом, диапазон волн, в котором сохраняется приемлемое согласование, ограничен, поскольку длина трансформирующей секции устанавливается с расчетом на известную длину волны. Точное согласование обеспечивается только на рас-

четной частоте ωo = 2πvф / λB , где vф - фазовая скорость в отрезке линии, а

также на кратных частотах ω0 (2n +1), когда длина трансформатора состав-

ляет четверть длины волны в линии плюс целое число полуволн. В окрестности расчетной частоты четвертьволновый трансформатор осуществляет приближенное согласование.

Четверть волновые трансформаторы используются в случаях, когда нагрузка фиксирована в достаточно узких пределах. Наиболее часто они применяются для согласования передающих линий СВЧ, имеющих разные размеры поперечного сечения.

Четверть волновые (λ¤4) трансформаторы широко применяются также в выводах энергии некоторых типов электронно-вакуумных приборов СВЧ (магнетронов). Иногда в качестве λ¤4 трансформатора используют волноводы сложной формы (П или Н – образные волноводы).

Для расширения полосы частот, в пределах которой обеспечивается приемлемое согласование, часто пользуются не одним, а несколькими λ¤4, трансформаторами, располагаемыми в виде ступенек один за другим.

Трансформатор типа одиночной передвижной реактивной прово-

димости. Согласование реактивным шлейфом. Короткозамкнутый шлейф. Рассмотрим случай, когда в некотором сечении передающей линии

включен шунтирующий параллельный, короткозамкнутый шлейф. Соответствующее построение - трансформатор типа одиночной передвижной шунтирующей проводимости (одношлейфовый трансформатор) приведено на рис.

5.6.

Определим условия, при которых шлейфы не оказывают влияния на передачу энергии по длинной линии. Входное сопротивление отрезка длинной линии без потерь определяется уравнением трансформации