§10 Согласование в линиях передачи

Вопросы согласования частично уже затрагивались в некоторых предыдущих параграфах. Рассмотрим эту проблему в более общем виде. Пусть имеется система передачи СВЧ – энергии , состоящая из генератора, ЛП длиной l и нагрузки. Мощность P_н , рассеиваемая в нагрузке, связана с мощностью P₀ , отдаваемой генератором, следующим соотношением

P_н = P₀( 1 - |Γ|²)e^­2αℓ , (1.81)

в котором экспоненциальный множитель учитывает затухание падающей волны, а величина |Γ|² - частичное отражение волны от нагрузки. Коэффициент полезного действия ЛП

η =P_н/P₀ = (1 - |Γ|²)e^­2αl

принимает максимальное значение при |Γ_н| = 0.

Максимальное напряжение в ЛП U_max = |Ú_пад|(1 + |Γ_н|e^­2αl ),

где Ú_пад – напряжение падающей волны, связанное с мощностью, отдаваемой генератором, соотношением P₀ = |Ú_пад|²/(2Z_л). Выразив отсюда |Ú_пад| с учётом (1.81) найдём

U_max =

Из этого выражения следует, что максимальное напряжение в линии , необходимое для передачи в нагрузку заданной мощности P_н , возрастает с увеличением модуля коэффициента отражения |Γ_н|. Так как U_max не может превышать пробивное напряжение, наибольшую мощность в нагрузку при наибольшем КПД можно передать при нулевом коэффициенте отражения. Следовательно, с энергетической точки зрения режим согласования является оптимальным режимом работы линии передачи.

Если сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению ЛП, то режим согласования можно обеспечить включением в линию дополнительных неоднородностей, создающих отражённую волну, равную по значению и противоположную по фазе волне, отражённой от нагрузки. Эти неоднородности, называемые согласующими устройствами или трансформаторами полных сопротивлений, должны располагаться вблизи нагрузки с тем, чтобы основная часть ЛП работала в режиме бегущей волны. Обычно амплитуды и фазы волн, отражённых от нагрузки и согласующего устройства, по– разному зависят от частоты, их взаимная полная компенсация реализуется только в ограниченном частотном диапазоне (диапазоне согласования). Различают устройства узкополосного согласования, обеспечивающие минимум КСВН на одной частоте (ширина полосы согласования не контролируется), и устройства широкополосного согласования, разработка которых выполняется по заданной ширине полосы сщгласования и качеству согласования в ней. Рассмотрим некоторые устройства узкополосного согласования.

Четвертьволновый трансформатор рассмотрен в §5. Для волнового сопротивления трансформатора справедлива формула Z_тр = , поэтому такое устройство может согласовывать только нагрузку с активным сопротивлением Z_н . Наиболее часто оно используется для согласования двух ЛП с разными волновыми сопротивлениями Z_в1 и Z_в2 .

Одношлейфовый трансформатор представляет собой регулируемый реактивный элемент Y^н_ш = iB^н_ш , включённый параллельно в ЛП на расстоянии ℓ₀ от Z^н_н. В качестве такого элемента обычно используется отрезок короткозамкнутой ЛП (шлейф) регулируемой длины ℓ_ш (рис.1.19). Реактивный элемент помещается в такое сечение линии, в котором её входная проводимость

Y^н_вх(ℓ₀) = 1 + iB^н (активная составляющая входной проводимости равна единице).

Если теперь подобрать проводимость шлейфа из условия B^н_ш + B^н = 0, основная ЛП окажется нагруженной на согласованный элемент с проводимостью

Y^н = Y^н_вх(l₀) + Y_ш = 1

Рис 1.19. Рис 1.20.

Параметры ℓ₀, B_ш(или ℓ_ш) можно определить с помощью КДС (рис1.20). Для этого из точки 1, изображающей нагрузку линии Z^н_н = R^н_н + iX^н_н , перемещаемся в диаметрально противоположную точку 2, соответствующую проводимости нагрузки Y^н_н. Далее находим точку пересечения окружности |Γ| = const с окружностью G_н = 1 (точка 3 на рис.1.20). В этой точке Y^н_вх = 1 + B^н. Поэтому подключение к линии в этой точке реактивного элемента проводимостью B^н_ш = - B^н компенсирует проводимость B^н и позволяет попасть в центр диаграммы. Расстояние от нагрузки до шлейфа ℓ₀ = λφ₀ / 4π, где φ₀ – угол поворота от точки 2 к точке 3 . Если к качестве реактивного элемента используется КЗ – шлейф, то его длина определяется по углу φ_ш между радиусами, проведёнными через точку 4 , в которой B^н_ш = - B^н, и точку КЗ.

Рис. 1.21.

Необходимость перемещения шлейфа вдоль ЛП создаёт трудности при конструировании одношлейфовых трансформаторов. Более удобны двухшлейфовые трансформаторы, содержащие две реактивности, расположенные на фиксированном расстоянии ℓ друг от друга (рис.1.21). В этом случае значение первой реактивной проводимости B_ш1 подбирается так, чтобы в месте расположения второй неоднородности выполнялось условие

Y^н_вн = 1 + iB^н

Подобрав значение B^н_ш2 = - B^н ,обеспечиваем согласование ЛП. Анализ показывает, что наиболее широкий диапазон значений Z_н, которые можно согласовать таким образом, получается при ℓ = λ /8.