1.3 Смешанные волны в линии Образование и свойства смешанных волн.

Линия несогласованная с нагрузкой

Если активное сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению линии: , то прямая электромагнитная волна частично поглощается нагрузкой, и частично отражается. В линии одновременно существуют бегущая и стоячая волны. Их совокупность называется смешанной волной.

Графики изменения напряжения и тока вдоль линии имеют узлы и пучности. Однако в узлах амплитуда больше нуля, а в пучностях – меньше удвоенной амплитуды БВ. Если , то в конце линии пучность напряжения и узел тока и по свойствам она приближается к РЗЛ.

Если – наоборот

Входное сопротивление такой линии носит активно-реактивный характер и изменяется в зависимости от длины линии и частоты.

Рис. 23. а) Схема несогласованной линии;

б) эпюры напряжения тока для случая : ;

в)то же для случая: .

Коэффициент бегущей и стоячей волн ( и ).

Коэффициентом бегущей волны называется отношение минимальной амплитуды смешанной волны к максимальной.

При БВ: =1.

При СВ: =0, т.к. .

Его можно выразить и через сопротивление.

При

При

Коэффициент стоячей волны – величина обратная коэффициенту бегущей волны.

При БВ: . При .

Недостатки режима смешанных волн в фидерах:

1. Возрастание возможности пробоя за счёт увеличения амплитуды напряжения в пучностях.

2. Снижение кпд фидера за счёт отражения части энергии от нагрузки.

КПД несогласованного фидера можно приближенно рассчитать по формуле:

Чем больше рассогласование (разница между и ), тем меньше и больше , тем ниже .

Пример: Рассчитать значения , и фидера, имеющего =360 (Ом) и , если он нагружен на сопротивления: (Ом); (Ом); (Ом).

Ответы: ; =0; =0,83;

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

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

Способы согласования фидера с нагрузкой

Фидерные линии

Слово фидер происходит от английского «to feed» – (питать). В радиотехнике фидеры используются для передачи энергии радиосигналов от одного устройства к другому, удалённому на расстояние, соизмеримое с длиной волны.

Фидеры должны отвечать следующим требованиям:

1). Потери энергии должны быть минимальны – КПД достаточно высок.

2). Должна быть обеспечена передача заданной мощности.

3). Фидер не должен излучать или принимать радиоволны (отсутствие антенного эффекта).

4). Фидер не должен нарушать работу и изменять частоту колебаний ГВЧ.

5). Постоянство параметров фидера должно быть обеспечено во всей полосе рабочих частот, а также при изменении в заданных пределах температуры, давления, влажности воздуха, механических и других воздействиях.

6). Габариты, вес, стоимость должны быть приемлемыми.

Этим требованиям наилучшим образом удовлетворяет фидерная линия, работающая в режиме БВ.

Типы фидерных линий

Наиболее широкое применение находят двухпроводные и коаксиальные линии.

Рис. 24. Двухпроводные линии:

а) открытая;

б) ленточного типа;

в) экранированная.

На рис. 24. показаны разновидности двухпроводных линий. Открытые и ленточные линии проще экранизированной, но при несоблюдении условия: в них может возникнуть антенный эффект.

Кроме того, трудно обеспечить электрическую симметрию проводов линии относительно земли и оградить линию от неоднородностей, возникающих за счёт влияния окружающих проводников. От этих недостатков свободна экранированная линия, провода которой симметричны, относительно заземлённой оплётки-экрана, предотвращающего связь линии с окружающими проводниками. Однако в ней больше потери.

а)

Рис 25 Коаксиальная линия:

а) с твердым диэлектриком;

б) с воздушным диэлектриком

На рис. 25 показаны разновидности коаксиальных линий. В них обратным проводом является заземлённый экран. ЭМП такой линии целиком расположено внутри экрана: э.с.л. – радиально, а м.с.л. – в виде концентрической окружностей. Поэтому антенного эффекта нет. Для соединения такой линии с симметричными антеннами или двухтактными схемами ГВЧ требуются симметрирующие устройства.

Согласование фидера с нагрузкой

Для передачи в нагрузку максимальной мощности необходимо обеспечить согласование как на входе, так и на выходе фидера (рис. 26).

Рис 26 Схема включения согласующих цепей к фидеру

Входная согласующая цепь (СЦ) согласует выходное сопротивление ГВЧ с выходным (при БВ – волновым) сопротивлением фидера с целью получения максимальной мощности от ГВЧ, а выходная – волновое сопротивление фидера со входным сопротивление нагрузки с целью получения БВ. Если содержит реактивную составляющую, она должна быть скомпенсирована элементами настройки.

Высококачественный согласующий трансформатор

Как известно, трансформатор (рис. 27) обеспечивает согласование в широкой полосе частот.

Рис. 27. Схема включения согласующего В.Ч. трансформатора.

Однако в данном случае, для компенсации индуктивного сопротивления обмоток и , цепи обмоток настроены в резонанс конденсаторами , и , , чем резко сужается полоса пропускания.

Оптимальный коэффициент трансформации рассчитывается по формуле:

.

Если требуется повышающий трансформатор и наоборот. Недостатком этого способа является невозможность его применения на УКВ, начиная с диапазона ДМВ, в связи с усилением утечки тока через межвитковые ёмкости обмоток.

Пример: Рассчитать коэффициент трансформации трансформатора, обеспечивающего согласование фидера с волновым сопротивлением 360 Ом и антенны с входным сопротивлением 40 Ом, если его кпд равен 0,64.

Ответ: трансформатор понижающий.

Четверть волновой трансформатор

На ДМВ в качестве согласующих цепей используются отрезки линии. Как известно, в точке где имеет место пучность тока и узел напряжения входное сопротивление линии минимально, а пучность напряжения и узел тока соответствует максимальному сопротивлению. Расстояние между этими точками – четверть длины волны. Можно подобрать такой четвертьволновой отрезок, чтобы его входное сопротивление было согласовано с фидером, а выходное – с нагрузкой.

Рис 28 Четвертьволновый, согласующий трансформатор

На рис. 28а показана схема согласования с помощью четверть волнового трансформатора для случая, когда . На рис. 28б, в и г соответственно графики тока, напряжения и активного сопротивления. При низкоомной нагрузке трансформатор приближается по свойствам к отрезку КЗЛ длиной . Его входное сопротивление (рис. 15) равно: .

Для согласования с фидером надо обеспечить равенство: . Следовательно:

Поскольку , подбор расчётного значения можно производить, изменения, по сравнению с фидером, расстояние между проводами D, или их диаметром d или подбирая диэлектрик с соответствующей проницаемостью – Е. Недостаток такого трансформатора – узкая полоса пропускания. Уже при незначительной расстройке: , и резко изменяется, согласование нарушается.

Пример: Рассчитать волновое сопротивление трансформатора, обеспечивающего согласование фидера с нагрузкой, если (Ом); =40 (Ом).

Ответ: (Ом).

Экспоненциальный трансформатор

Для расширения полосы пропускания трансформатора сопротивления надо обеспечить в нём режим БВ, т.к. входное сопротивление линии при БВ 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:

Окончательно:

Здесь коэффициент:

Рис. 29 Экспоненциальный трансформатор

Формула выражает линейный закон убывания волнового сопротивления трансформатора по мере его удлинения. В точках подключения к фидеру х=0 и . В точках подключения нагрузки надо обеспечить равенство: . Учитывая формулу и полагая длину трансформатора l=x, получим:

, если

или , если

В последнем случае применяется трансформатор с расходящимися проводами и . Чем меньше коэффициент α, тем более плавнее изменяется , тем точнее соблюдается режим БВ вдоль трансформатора.

На ДМВ шире используются коаксиальные трансформаторы и экспоненциальным изменением диаметра внешнего или внутреннего цилиндра.

Параллельный шлейф

Все рассмотренные трансформаторы обеспечивают согласование фидера с активным сопротивлением нагрузки. Если нагрузка содержит и реактивную составляющую входного сопротивления , то от неё происходит отражение части энергии и согласование нарушается.

Шлейфом называется отрезок КЗЛ, длина которого подбирается так, чтобы было скомпенсировано.

Рис. 30 Схема согласования при помощи параллельного шлейфа

Этот способ был предложен В.В. Татариновым в 1929 году.

Если шлейф включается параллельно нагрузке, то условие компенсации (параллельного резонанса) выполняется когда: .

Здесь: - входное сопротивление шлейфа.

Если шлейф включается параллельно входным зажимам трансформатора, то это условие изменяется: .

Где - входное реактивное сопротивление трансформатора.

В случае применения подвижного шлейфа (рис. 30) можно так подобрать расстояние - от нагрузки до точек а и b подключения шлейфа и , чтобы одновременно выполнялось два

условия:

– согласования: ;

– компенсации: .

В этом случае трансформатор не требуется.

Если перемещение шлейфа по лини невозможно (например при использовании коаксиальных линий), применяются два неподвижных шлейфа, длины которых подбирают так, чтобы одновременно выполнялись условия согласования и компенсации.

Вопросы для самопроверки

1. Какие физические процессы происходят в линии, нагруженной активным сопротивлением, не равным волновому?

2. Где устанавливаются узлы и пучности тока и напряжения в несогласованной линии, если ?

3. От чего зависит величина и характер входного сопротивления в несогласованной линии?

4. Что называется коэффициентом бегущей и стоячей волны? Каковы их значения при БВ и СВ?

5. От каких факторов и как зависит КПД несогласованной линии?

6. Что называется фидерной линией? Каким техническим требованиям она должна удовлетворять?

7. Каковы устройство, разновидности и сравнительные особенности основных типов фидерных линий?

8. С какой целью производится согласование фидера с ГВЧ и с нагрузкой?

9. Каковы устройство, принцип работы, условия, применение и особенности:

а) высокочастотного трансформатора;

б) четвертьволнового трансформатора;

в) экспоненциального трансформатора?

10. Что называется шлейфом, каковы его назначение и принцип работы при различных вариантах включения?