устройства функциональной электроники-1

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТИПА ДЛИННОЙ ЛИНИИ

7.1. Трансформаторы типа длинной линии

Мощные высокочастотные транзисторы являются низковольтными приборами. Для получения большой выходной мощности устройств на таких транзисторах необходимо обеспечить низкоомную нагрузку. При использовании обычных широкополосных трансформаторов индуктивность рассеивания

Lp ≈ 0,02 мкГн, на частоте f = 30 МГц сопротивление 2π fLp = 4 Ом. С

учетом индуктивности соединительных проводов завал амплитудночастотной характеристики в области высоких частот будет очень высоким. Поэтому используют широкополосные трансформаторы типа длинной линии. Такой трансформатор представляет собой отрезок кабеля или двухпроводной линии, намотанной на ферритовый сердечник. Можно на этот отрезок нанизать ферритовые сердечники.

На низких частотах индуктивность первичной обмотки высока за счет ферритового сердечника и таким образом обеспечивается нижняя граничная частота. На высоких частотах ферритовый сердечник не играет роли и трансформатор работает как длинная линия.

С использованием таких трансформаторов строятся широкополосные усилители.

Получение от одного транзистора мощности более (150-200) Вт считается нецелесообразным, этого трудно добиться. Требуются мощности передатчиков порядка десятков кВт. Поэтому возникает потребность в сложении мощностей нескольких усилителей на одной нагрузке (антенне). Параллельное соединение транзисторов резко ухудшает устойчивость усилителей. Поэтому сложение мощности осуществляют с помощью трансформаторов типа длинной линии. Схем сложения мощности очень много, одна из них приведена на рис. 7.1.

При намотке кабеля на кольцевой сердечник получается более широкая полоса частот, чем при нанизывании на кабель сердечников. В

где l - длина нанизанных сердечников, r1 - внутренний радиус сердечника, r2 - наружный радиус сердечника.

При l > > r2

81

Величина μ отн выбирается из условия необходимости обеспечения

заданной величины индуктивности обмотки на нижних частотах (как и в обычном трансформаторе).

Для второго случая (нанизанных на кабель сердечников)

7.2. Экранирование и герметизация трансформаторов

82

Любая цель переменного тока характеризуется вектором электрического поля, связанного с потенциалом, и вектором магнитного поля, связанного с током. Если существенно больше электрическая составляющая, поле считается электрическим, если больше магнитная составляющая – магнитным.

Экранирование электрических цепей ослабляет влияние внешних электрических и магнитных полей на данную электрическую цепь, а так ослабляет влияние поля данной цепи на другие цепи. Экранирование характеризуется эффективностью экранирования, равной отношению напряженности соответствующего поля вблизи экранируемого объема, без экрана к напряженности поля так же, но с экраном.

По принципу действия различают электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное экранирование. Электростатическое экранирование состоит в замыкании электрического поля на поверхность металлического экрана и передаче электрических зарядов на корпусе устройства (рис. 7.2). электростатические экраны прокладываются между первичной и вторичной обмотками трансформатора и выполняются в виде соединенной с корпусом, но не закороченной прослойки алюминиевой или медной фольги, однослойной обмотки. Помехи электрического характера, поступающие в первичную обмотку из сети, попадают во вторичную обмотку сильно ослабленными экраном. Материал экрана должен обладать высокой электропроводностью.

Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толще экрана вследствие его повышенной магнитопроводимости (рис.7.3). Материал экрана должен иметь высокую

μ отн . Для повышения эффективности экранирования экран выполняют

двойным из пермаллоя.

Электромагнитное экранирование основано на размагничивающем действии вихревых токов и применяется для защиты от высокочастотных полей. Под действием высокочастотного поля в экране наводятся вихревые токи, потоки которых направлены против наводящего поля. Поэтому в месте расположения экрана высокочастотное поле значительно ослабляется (рис.7.4) Эффективность такого экранирования тем больше, чем больше вихревые токи, а, следовательно, проводимость материала экрана. Электромагнитные экраны являются, в тоже время, и электростатическими, а если они выполнены из материалов с высокой проводимостью и магнитной проницаемостью, то и магнитостатическим. Разрезы, выполненные в экранах не должны препятствовать протеканию вихревых токов.

Герметизация трансформаторов – это их изоляция от воздействия внешней среды, в основном от влаги, газов, пыли, химически активных веществ. Герметизация трансформаторов осуществляется с помощью

83

изоляционных материалов и герметических корпусов, которые могут одновременно выполнять функции экранов. Герметизация с помощью изоляционных материалов – это пропитка, заливка, обволакивание, опрессовка. Применяются полиэфирные, кремниеорганические, эпоксидные, пропиточные, заливочные лаки, композиты, каучуковые материалы. Диэлектрики с хорошей теплопроводностью облегчают теплоотвод. Герметичные корпуса изготовляются гибкой штамповкой. Крышки корпусов закрепляются с помощью пайки, сварки, с помощью вакуумных прокладок и винтов с гаками. Выводы из корпусов осуществляются с помощью стеклянных, стеклокерамических, керамических изоляторов, спаянных с металлом.

85

8. КОНСТРУКЦИИ ФИЛЬТРОВ И КОНВОЛЬЕРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ

ВОЛНАХ

8.1. Конструкции полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах

Известно, что любой встречно–штыревой преобразователь (ВШП) на пьезоэлектрике обладает избирательностью. Его добротность Q равна числу пар электродов N. Любая линия задержки на ПАВ, содержащая два ВШП, является полосовым фильтром. В линии задержки обычно используют ВШП эквидистантные, неаподизованные. Это означает, что ширина электродов «а» и ширина зазора между ними «с» не изменяются (рис. 8.1). На длине 2L,

справочной величиной. Для каждого материала пьезоэлектрической

коэффициент электромеханической связи.

В таблице 8.1 приведены характеристики пьезоподложек, причем Nопт и Мопт даны для случая радиотракта с волновым сопротивлением RPT=50 Ом. Сопротивление источника сигнала (генератора) Rr должно быть равно сопротивлению нагрузки и равно 50 Ом. Это – условие согласования сопротивлений без согласующих устройств. Так как сопротивление

радиотракта RPT ~ 1b , то при RPT = Rr = RH № 50 Ом нужно соответству-

ющим образом увеличивать или уменьшать ширину перекрытия электродов «b». В таблице приведен также температурный коэффициент частоты

86

Число пар электродов в ПАВ – фильтрах не всегда выбирается оптимальным. Фильтр с высокой добротностью содержит большое число пар электродов. Для уменьшения площади подложки один из ВШП, например входной, содержит малое число пар электродов и является широкополосным. Второй ВШП, например выходной, содержит большое число пар электродов и именно он определяет результирующую добротность фильтра, т.е.

выбрать полосозадающим входной ВШП или оба ВШП сделать полосозадающими.

Для многих ПАВ – фильтров важно обеспечить заданный коэффициент прямоугольности АЧХ КП, равный отношению полосы частот по уровню 40

дБ к полосе частот по уровню 3 дБ. Обычно Ê Ï = 1.1ё 3. Прямоугольность

АЧХ фильтра достигается аподизацией частотозадающего ВШП. АЧХ приближается к прямоугольной, если ширина перекрытия электродов ВШП

подчиняется закону sinx x . Для осуществления аподизации частотозадающего ВШП сначала определяют максимальную длину перекрытия электродов « bM » в зависимости от заданного сопротивления генератора Rr . Затем

определяют ширину электродов «а» ( a = Va / 4 fp ). Принимают зазор между электродами с = а, определяют шаг пары электродов 2L = 4a и находят длину

ограничиться и одним нулем этой функции, в этом случае пострадает

электроды, как показано на рис. 8.2. Иногда нелинейные участки функции

87

sin x/x

При конструировании ПАВ – фильтров стремятся уменьшить переотражения и дисперсию ПАВ при взаимодействии с ВШП, уменьшить дифракцию ПАВ. Важно также увеличить подавление боковых лепестков ПАВ, не допустить возбуждения объемных акустических волн (ОВ).

Для компенсации переотражений от краев электродов предложена специальная структура многоэлектродного преобразователя (рис. 8.3). Ширина противофазных электродов 1 и 2 (рис. 8.3, а) и зазора между ними

88

выбирается из соотношений: l1 = l3 = λ a / 8,l2 = 5λ a /8 . Предлагается также

варьировать порядок подключения широких и узких электродов к суммирующим шинам (рис. 8.3, б). При этом волны, отраженные от левых и

правых краев электродов, получают относительный фазовый сдвиг на 1800 и

4

3

5

16

2 4

Рис.8.4

89

Аналогичный эффект достигается и при использовании электродов ступенчатой формы (рис. 8.4). Преобразователь имеет двухканальную конструкцию, причем аподизация его электродов зеркально симметрична относительно суммирующей шины 1. Неперекрывающиеся части электродов

4, соединенные с шинами 2 и 3, имеют ширину λ a / 2 , перекрывающиеся

части противофазных электродов 5 и 6 имеют ширину λ a / 4 . При этом, в

первую очередь, уменьшается уровень ложного сигнала, вызванного переотражениями от краев электродов, так как волны, отраженные от перекрывающихся и неперекрывающихся частей электродов, складываются в противофазе и взаимокомпенсируются.

Другим вариантом уменьшения межэлектродных переотражений является использование разреженной электродной решетки с уменьшенной шириной электродов. Полосозадающий многоэлектродный преобразователь фильтра составлен из трехэлектродных секций 1 (рис. 8.5), порядок подключения которых к суммирующим шинам 2 и 3 поочередно изменяется. Ширина электродов и зазоров между ними в каждой из 6 секций составляет

λa/6

λa/6

3

λa/6

1.5λa

Рис.8.5

Конструктивные методы уменьшения переотражений и взаимной компенсации переотраженных и регенерированных волн наиболее эффективны именно для частотозадающих ВШП, имеющих много электродов. Наличие на поверхности звукопровода большого массива электродов обуславливает формирование ложного сигнала, вызванного одно

– и многократными переотражениями и регенерацией ПАВ в этой зоне. В ряде случаев ПАВ – фильтры, особенно узкополосные с большим количеством электродов работают в рассогласованном режиме. Поэтому в этих фильтрах значителен сигнал, вызванный переотражениями и

90