8. Принципы использования отрезков длинных линий.

8.1. Линия как фидер.

Линия, по которой осуществляется передача энергии высокочастотных колебаний от генератора к нагрузке, называется линией передачи, или фидером (название происходит от английского глагола to feed – питать). В современных устройствах связи находят применение фидеры различных типов.

В диапазоне метровых и более длинных волн для передачи энергии обычно используется воздушная двухпроводная линия. При передаче гармонических сигналов по воздушным линиям связи без потерь фазовая скорость волн практически равна скорости света в вакууме , а при наличии потерь лишь немного меньше:. Среднее значение волнового сопротивления для воздушных линийОм.

Например, длина волны λ в воздушной линии, при частоте f=50 Гц км. Общая протяжённость воздушных линий, сооружённых между Волжской гидростанцией и Москвой, немного больше 1000 км, то есть на таких линиях укладывается сравнительно небольшая доля длины волны и нельзя наблюдать волнообразного изменения тока или напряжения по длине, а можно наблюдать лишь их монотонное изменение. Волнообразное изменение напряжения и тока вдоль линии можно наблюдать в устройствах связи, где линии соединяют, например, радиопередатчик коротких волн с антенной.

Однако на более коротких волнах воздушная линия начинает интенсивно излучать электромагнитное поле в окружающее пространство; также возрастают тепловые потери в проводах. В дециметровом диапазоне волн наиболее широко применяется коаксиальная линия передач. В кабелях с диэлектрической проницаемостью изоляции ε ≈ 4…5 фазовая скорость волн в 2…2,5 раза меньше скорости света в вакууме. Среднее значение волнового сопротивления для кабелей Z_в = 50…70Ом. В отличие от двухпроводной линии коаксиальная линия не имеет потерь на излучение, так как её электромагнитное поле отделено от внешнего пространства надёжным экраном – оболочкой внешнего цилиндрического проводника. Коаксиальный фидер обладает меньшими тепловыми потерями также оттого, что образующие его проводники имеют достаточно большие поверхности.

На сантиметровых волнах в качестве фидера используется волновод, представляющий собой полую металлическую трубу, в которой распространяются электромагнитные волны. Отсутствие в волноводе внутреннего проводника уменьшает расход энергии на нагревание и, следовательно, уменьшает потери энергии сигнала при передаче.

8.2. Согласующий четвертьволновый трансформатор.

В реальных линиях часть полезной мощности теряется в виде тепловых потерь. Чтобы передача энергии осуществлялась с наименьшими потерями, фидер должен работать в режиме бегущих волн. Кроме того, наличие отражённой волны приводит к неравномерному распределению действующих значений напряжения вдоль линии и, следовательно, увеличивает потери на излучение и опасность электрического пробоя линии в точках, где действующие значения напряжения достигают наибольших значений.

Для того чтобы фидер работал в режиме бегущих волн, его нагрузочное сопротивление должно быть равно волновому. Рассмотрим согласование линии с нагрузочным сопротивлением, не равным волновому, с помощью четвертьволнового трансформатора (рис. 10).

Пусть волновое сопротивление линии равноZ_0Л, а сопротивление нагрузки резистивное: Z_Н = R_Н ≠ Z_0Л.

Расчёт четвертьволнового транс-форматора сводится к определению его волнового сопротивления Z_0T, которое должно быть выбрано так, чтобы входное сопротивление трансформирующего отрезка с нагрузкой R_H было бы равно волновому сопротивлению линии: Z_1-1 = Z_0Л. Подставим в формулу (7.4) :

,

откуда .

Подбор необходимой величины Z_0T для воздушной линии осуществляется путём изменения расстояния между проводами. Таким образом, четвертьволновый согласующий трансформатор позволяет устранить отражённую волну в основной части линии при произвольной нагрузке. Однако на практике рассмотренный способ согласования иногда применять нецелесообразно: в конструктивном отношении неудобно иметь согласующие трансформаторы с очень большими или, наоборот, очень малыми волновыми сопротивлениями.