67

лах от 1ε2r до 1, а коэффициент отражения – от (ε2r −1)(ε2r +1) до 0, именно в таких пределах и может быть компенсировано отражение от нагрузки. Указанному диапазону соответствует значения КСВ от ε2r до 1. Для промежуточных

значений расстояния между пластинами входное сопротивление трансформатора имеет не только активную составляющую, но и реактивную, которую можно скомпенсировать путем перемещения согласующей структуры вдоль волновода как целого. В полом волноводе физика процесса остается прежней, и можно считать приближенно, что пределы согласования остаются такими же. Напри-

мер, для кварца с εr = 3,8 максимальное значение КСВ, которое может быть со-

гласовано – 15. Конструкция является технологичной. С точки зрения теории параллельный реактивный шлейф позволяет согласовать КСВ вплоть до бесконечности.

3.5. Согласование с помощью параллельного реактивного шлейфа.

Возможность реализации любых значений индуктивности и емкости с помощью короткозамкнутых шлейфов (рис.3.6) и шлейфов в р ежиме холостого хода обуславливает их широкое использование для создания согласующих схем. Важное преимущество шлейфов – способность изменения их длины, то есть значения сопротивления. В волноводных линиях передачи реализация ре-

сто, если шлейф подключить на таком расстоянии l1 от нагрузки, на котором

входная нормированная проводимость линии имеет значение yвх =1± jbˆ . Проводимость шлейфа выбирается исходя из условия компенсации реактивной составляющей ± jB проводимости Yвх , что достигается подбором длины шлейфа l2 . Если основная линия и линия, из которой изготовлен шлейф, имеют одина-

ковые параметры, в том числе волновое сопротивление, то достаточно достигнуть равенства для нормированных значений проводимости. Если шлейф имеет

другое волновое сопротивление, то необходимо денормировать yвх =1± jbˆ , то

68

есть рассчитать значение физической проводимости, провести ее нормировку на волновое сопротивление линии передачи, из которой выполнен шлейф, и найти его необходимую длину для нового значения нормированной проводимости.

Пример задачи по теме

Согласовать нагрузку сопротивлением Zн = 35 + j20 Ом с линией передачи с волновым сопротивлением W1 = 50 Ом на частоте f =1ГГц с помощью

одиночного короткозамкнутого шлейфа, выполненного на основе линии передачи с волновым сопротивлением W2 =100 Ом. Потерями в линии передачи

пренебречь, считать, что длина волны в основной линии составляет Λ1 =12 см, а в шлейфе – Λ2 =15см.

2.Нанесем на диаграмму сопротивлений точку A, которая соответствует zн

(рис.3.7,а).

3.Находим КСВ, равный ~1,8, проводим окружность постоянного КСВ через эту точку.

4.Определим проводимость нагрузки, для чего перемещаемся вдоль окружности постоянного КСВ на 180 в точку B , в которой y =1,08 − j0,62

(рис.3.7,б).

5.Проводим прямую из центра диаграммы через точку B . Она пересекает шкалу «Расстояние к генератору в длинах волн» в точке C , которой соответствует значение 0,342Λ.

6.Находим точку D пересечения окружности постоянного КСВ с окружностью, в которой активная часть нормированного сопротивления равна единицы, здесь y =1+ j0,62 . Такую точку выбираем для выключения

взаимодействия согласующего устройства с нагрузкой и возникновения высших типов волн.

7.Проводим через точку D прямую из центра диаграммы, которая пересекает шкалу «Расстояние к генератору в длинах волн» в точке E (рис.3.7,в). Ей соответствует значение 0,147Λ.

8.Определяем расстояние l1 от нагрузки до места включения шлейфа, она равна расстоянию вдоль дуги в направлении к генератору от точки C до точки E l1 = (0,5 − 0,342)Λ + 0,147Λ = 0,305Λ.

9.Рассчитываем длину шлейфа l2 , необходимого для компенсации реактив-

ной составляющей проводимости в точке D : y1 =1 + j0,62 . Если бы

шлейф был выполнен из той же самой линии передачи, что и основная линия, длину шлейфа необходимо было бы выбирать такой, чтоб его

69

входная нормированная проводимость равнялась y2 = − j0,62 . Поскольку

шлейф выполнен на основе линии передачи с волновым сопротивлением, отличным от сопротивления основной линии, то необходимо перейти к

абсолютному значению входной проводимости шлейфа Y2 = y2 /W1, которое для данного конкретного случая будет равняться − j0,00124 , а затем перейти к новому значению нормированной входной проводимости шлейфа, нормированной относительно волнового сопротивления W2 , по

формуле y2′ =Y2W2 = −1,24 .

10. Для реактивного шлейфа найдем точку F на внешней окружности диаграммы ( KстU = ∞), соответствующую значению нормированного вход-

ного сопротивления y2′ , которое для рассматриваемого конкретного случая равно − j1,24 . Эта точка соответствует значению 0,359Λ.

1 x = 0,62 1

F

0,359 Λ

-1 G

в

Рис.3.7. Согласование линии с помощью параллельного шлейфа

11. Если шлейф короткозамкнутый, то длину шлейфа определяем как расстояние вдоль дуги внешней окружности ( KстU = ∞), отсчитанную в сто-

рону генератора от точки G (0,25Λ), которая соответствует проводимости при коротком замыкании lкз = 0,359Λ −0,25Λ = 0,109Λ.

70

12. Если шлейф в режиме холостого хода, то длину шлейфа определяем как расстояние вдоль дуги внешней окружности ( KстU = ∞), отсчитанную в

сторону генератора от точки H (0Λ ), которая соответствует проводимости в режиме холостого хода, то есть lхх = lкз +0,25Λ = 0,359Λ.

13. Определяем физические размеры lкз та lхх . Учитывая, что согласно условию Λ1 =12 см, а в шлейфе – Λ2 =15см, соответствующие длины составляют lкз = 0,305 12 = 3,66 см и lхх = 0,109 15 =1,635см.

Согласования можно достичь одновременным использованием параллельного шлейфа, который компенсирует реактивную компоненту сопротивления, и четвертьволнового трансформатора для согласования активной компоненты сопротивления. Преимущество такого подхода заключается в том, что трансформатор и шлейф будут расположены в фиксированных точках. Поскольку на первом этапе подключают параллельно реактивный шлейф, необходимо перейти к рассмотрению проводимости вместо сопротивления. При этом значение активной составляющей проводимости в общем случае не равно обратному значению активной составляющей сопротивления нагрузки. После чего используют традиционную схему согласования с помощью четвертьволнового трансформатора.

3.6. Трансформаторы с тремя реактивными элементами.

Наиболее подходящий для практики трансформатор с тремя параллельными шлейфами, имеющими фиксированное положение. При этом значение длины широкой стенки основного волновода и шлейфов, как правило, совпадают. Таким образом, длина волны в них и основном волноводе одинакова.

ˆ ˆ

gн

g=1 P2′

а jbˆ2

б

Рис.3.8. Система двух параллельных реактивных элементов:

а – эквивалентная электрическая схема; б – диаграмма полных сопротивлений

71

Рассмотрим систему из двух реактивных проводимостей, расположенных вдоль оси волновода на определенном расстоянии l друг от друга (рис.3.8,а). Произвольной точке P на круговой диаграмме полных сопротивлений соответ-

ствуют действительная g и мнимая jbˆ составляющие нормированной проводимости y в соответствующем сечении волновода (рис.3.8,б). Пусть нормированная проводимость в плоскости P1′ (то есть проводимость нагрузки, которая пересчитана в плоскость P1′, или проводимость нагрузки, подключенной непо-

средственно в плоскости P1′) равна yн = gн + jbˆн .

Эквивалентная реактивная проводимость первой настроечной реактивно-

Переход от плоскости P1 к плоскости P2′ сопровождается перемещением соответствующей точки по часовой стрелке (движение по направлению к генератору) по окружности радиусом Γ = const на угол 4π l / Λ (движение от точки P1 в точку P2′ на круговой диаграмме). Точка P2′ должна при этом принадлежать

окружности g =1. Таким образом, в точке P2′ имеем проводимость y =1 − jbˆ2 . Эквивалентная проводимость настроечной неоднородности должна компенсировать реактивную составляющую, то есть равна jbˆ2 . В результате нормированная проводимость в плоскости P2 равна единице (y =1), что яв ляется при-

знаком согласования. Необходимое условие согласования – принадлежность точки, соответствующей плоскости P2 , окружности g =1. Из геометрических

построений (рис.3.8) следует: если начальная точка yн = gн + jbн находится

внутри заштрихованной области, то указанное условие выполнить невозможно. Следовательно, при заданном l не каждой нагрузке в сечении P1 может быть

обеспечен режим согласования. Проведенный анализ свидетельствует, что трансформатор с двумя реактивностями имеет определенную «зону недоступности» проводимостей нагрузки, которая соответствует заштрихованному кругу на диаграмме. Чем ближе значения l к Λ / 4, тем больше размеры этой зоны. Для каждого фиксированного значения l есть граничное значение КСВ нагрузки, когда существует возможность согласования для произвольного значения фазы коэффициента отражения. В случае больших значений КСВ трансформатор с двумя реактивными неоднородностями обеспечивает согласование лишь при определенных значениях фазы, когда проводимость нагрузки в сечении ближайшей к ней неоднородности не попадает в заштрихованный круг. Обычно расстояние между неоднородностями выбирают равным нечетному числу Λ / 8 . Чтобы обеспечить согласование и для нагрузок, проводимости которых попадают в заштрихованный круг, используют третий настроечный элемент, расположенный между P1′ и нагрузкой на расстоянии l от P1′. Он позволяет перене-

сти приведенное к плоскости P1′ значение y в часть диаграммы, внешнюю по

72

отношению к заштрихованной области. Если в плоскости, где подключена

гласования при больших значениях КСВ, пробивную прочность трансформатора, возможность раздельного регулирования фазы и модуля вносимого отражения. Штыревые трансформаторы используют обычно только в случае небольшой мощности в тракте, чтобы избежать электрического пробоя. При большой мощности успешно применяются трансформаторы трехшлейфного типа, а та к- же трансформаторы с диэлектрическими пластинами.

В процессе проектирования согласующих схем стараются выбрать вариант, когда длина шлейфов наименьшая, а место включения согласующего элемента ближе к нагрузке. Это обусловлено тем, что при увеличении длины отрезка линии разница между действительным и рассчитанным значениями сопротивлений в случае отклонения частоты от расчетной увеличивается (рис.3.9). Если значения нормированных сопротивлений в точке A для зависимостей 1 (сплошная линия) і 2 (пунктирная линия) отличаются не сильно, то в точке B они обратны: для зависимости 1 нормированное сопротивление равняется КСВ, а для зависимости 2 – КБВ. Такой эффект может быть объяснен на основе исследования частотной зависимости входного сопротивления от частоты для случая включения нагрузки через отрезок линии передачи длиной l . Входное сопротивление такой системы будет зависеть от частоты, причем

симость входного сопротивления тем больше, чем больше l . Эти явления называют эффектом длинной линии. Поэтому при конструировании широкополосных систем СВЧ нужно стремиться уменьшить длины используемых отрезков линий передачи.

73

Контрольные вопросы

1.Что называется режимом идеального согласования линии передачи, в чем его преимущества?

2.Какой режим для волны устанавливается при идеальном согласовании?

3.Какова физика процесса согласования для волн в волноводах?

4.Что такое потери на отражение, в каких единицах они измеряются?

5.Каково условие согласования в терминах сопротивления?

6.В чем заключается важность согласования для обеспечения работы генератора? Каким образом обеспечивается развязка генератора от внешних цепей? Что такое автодинный режим?

7.Для чего необходимо обеспечение согласования во входных цепях, цепях измерения мощности?

8.В каких случаях наличие рассогласования бывает полезным?

9.Почему согласование часто характеризуется значением КСВ (КБВ), а не коэффициента отражения?

10.Что представляет собой согласующий четырехполюсник, каковы его функции, какие физические принципы положены в основу его работы?

11.Что понимается под термином трансформатор сопротивления?

12.Какой физический смысл вкладывается в термины узкополосное и широкополосное согласование?

13.Что представляет собой четвертьволновый трансформатор, каковы физические принципы согласования четвертьволновым трансформатором?

14.Каково основное уравнение четвертьволнового трансформатора?

15.Можно ли согласовать комплексные сопротивления четвертьволновым трансформатором и как?

16.Устанавливается ли режим бегущей волны в самом четвертьволновом трансформаторе, начиная с какой точки в линии устанавливается такой режим?

17.Как связаны величина скачка согласуемых сопротивлений и ширина полосы частот, в которой достигнуто согласование?

18.Как осуществить плавное изменение согласования с помощью четвертьволнового трансформатора?

19.В чем заключается физика процесса согласования при помощи реактивной неоднородности?

20.Как практически осуществляется внесение неоднородности в тракт линии передачи, каковы конструкции неоднородностей?

21.Какой характер должно носить сопротивление вносимой неоднородности для достижения согласования линии передачи, каким образом выбирается место включения неоднородности?

22.Как конструктивно осуществляется изменение значения реактивной проводимости неоднородности? Как конструктивно реализуется механизм изменения места включения неоднородности?

74

23.Исходя из каких соображений рассчитывается значение проводимости неоднородности и местоположения ее размещения? Какими формулами описываются эти значения?

24.При каких значениях глубины погружения штыря его проводимость приобретает емкостной и индуктивный характер?

25.Какова конструкция пластинчатого диэлектрического трансформатора?

26.В чем заключается физический принцип, положенный в основу работы пластинчатого диэлектрического трансформатора?

27.Каким образом производится регулировка значения коэффициента отражения пластинчатого трансформатора?

28.Каким образом производится изменение фазы коэффициента отражения пластинчатого диэлектрического трансформатора?

29.В каких пределах изменения коэффициента отражения нагрузки может быть проведено согласование при помощи пластинчатого диэлектрического трансформатора?

30.В чем заключается физический принцип согласования при помощи параллельного реактивного шлейфа?

31.Каков порядок расчета согласующего параллельного шлейфа?

32.Каким образом проводится нормировка и денормировка проводимости для случая, когда волновое сопротивление шлейфа не совпадает с волновым сопротивлением основной линии?

33.Что представляет собой эффект длинной линии?

34.Каким образом работает согласующий трансформатор с двумя неоднородностями? В чем его недостатки?

35.Зачем добавляется третья неоднородность в согласующий трансформатор с тремя неоднородностями?

36.Какова практическая конструкция согласующего трансформатора с тремя неоднородностями?