книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны

На рис. 3.2, а показано включение четвертьволнового транс­ форматора с волновым сопротивлением ZB0 между фидером с вол­ новым сопротивлением ZBl и нагрузкой (например, антенной) с ак­ тивным входным сопротивлением R 2. Поскольку R 2 не равно ZB0 то в согласующем отрезке возникают смешанные волны, kCBкоторых определяется отношением R 2 и ZB0. За счет стоячих волн в этом от­ резке на одном конце его, обращенном к меньшему согласуемому сопротивлению, получают минимум напряжения и максимум тока

Рис. 3.2. Согласование сопротивлений при помощи четвертьволнового тр ансфор матора.

(последовательный резонанс), что соответствует сопротивлению ZBClkCB, На другом конце трансформатора, обращенном к большему согласуемому сопротивлению, получают максимум напряжения и минимум тока (параллельный резонанс), что соответствует со­

служит нагрузкой фидера с волновым сопротивлением ZBl, то для установления в нем бегущих воли должно соблюдаться условие

(49)

Как видно из формулы полное согласование фидера с на­ грузкой происходит при равенстве волнового сопротивления четвертьволнового трансформатора ZBC среднему геометрическому

из волнового сопротивления фидера ZBl и сопротивления нагруз-

бегущие волны. Наличие стоячих волн в трансформаторе практи­ чески не связано с потерями энергии, так как длина согласующего отрезка значительно меньше длины основных линий.

Сущность согласования при помощи четвертьволнового транс­ форматора можно объяснить иначе. Волны, идущие от генератора к нагрузке, отражаются как от начала, так и от конца согласующего трансформатора, причем в начале трансформатора обе отраженные волны складываются в противофазе, поскольку одна из них про­ ходит дополнительное расстояние X/2 (от начала четвертьволнового участка к его концу и обратно).

При правильном подборе волнового сопротивления согласую­

(это согласуется с формулой Znc - г п 7 Z.i )•

Тогда волны, отраженные от начала и конца трансформатора, равны по амплитуде, и в фидере сохраняются только волны, бегу­ щие в направлении к нагрузке.

2. Широкополосные трансформаторы сопротивлений. Четвертьволновый трансформатор является узкополоснымX согласующимХ0устройством, так как при Отклонении длины волны Х/4от .среднего значения электрическая длина трансформатора уже не равна В связи с этим в основной линии кроме бегущей волны появляются стоячие волны, а входное сопротивление линии становится комплексным. Для расширения полосы пропускания согласую­ щее устройство составляютXJ4. из нескольких трансформаторов, каждый из ко­ торых имеет длину Если, например, согласование производят при помо­ щи двух четвертьволновых трансформаторов (рис. 3.3), то волновые сопро­

тивления отрезковaтрансформатораdbЬ' ZBC и ZBC подбирают с таким расчетом,

чтобы от сечений —с си — волны отражались бы с одинаковой ампли­ тудой, аот сеченияbЬ' — ' — с вдвое большей амплитудой. Поскольку волна от а — до — и обратно проходит путь 2Х0/ 2 = А0, то волны, отраженные

Примерно так же компенсируются в основной линии волны, отраженные от элементов согласующего трансформатора, при длине волны передаваемых колебаний X не равной среднему значению ее Х0. Пусть X < Хо. Тогдаакаждый участок трансформатора имеет длину, несколько большую, чем аХ/4—. Это позво­ ляет сказать, что отраженные волны суммируются в сечении следую-

полностыо компенсируют друг друга.

Расчеты показывают, что для согласования в диапазоне частот волновые

Существуют схемы расширения полосы пропускания одиночных чета.­ вертьволновых трансформаторов. Одна из этих схем показана(анаЬ)рис. 3.4, К низкоомному концу четвертьволнового трансформатора — подключен

Яа Теперь допустим, что длина волны передаваемых колебаний X < Х0. Тог­ да дл4Ш 0 трансформирующего участка оказывается больше, чем Х/4, и так

как этот участок замкнут на сопротивление R2>ZBC то во входном сопро­

тивлении участка, кроме активной составляющей, появляется реактивная со­ ставляющая индуктивного характера. Эта составляющаяакомпенсируетсяЬ. емкостным сопротивлением, вносимым шлейфом в сечение — Емкостный

характер сопротивления обусловлен тем, что электрическая длина шлейфа стала больше, чем А /4. Таким образом, основная линия оказывается нагруженZBl­. ной на активное сопротивление, близкое к ее волновому сопротивлениюX Аналогично происходитХ0согласование при отклонении длины волны в сто­ рону увеличения от

Если реактивный шунт вводится с высокоомного конца четвертьволно­ вого трансформатора, то используется шлейф длиной Х0/4,бкоторый разомкнут на конце и включен последовательно в схему (рис. 3.4, ). На волне А* вход.

грузка согласующей линии станет комплексной.

Благодаря появлению емкостной составляющей в сопротивлении на­ грузки и тому, что длина трансформирующего участка стала меньше Л /4, входное сопротивление этого участка вс — d сохраняется активным, как при последовательном резонансе, и близким к волновому сопротивлению ZB1.

3. Согласование при помощи экспоненциального трансформа­ тора. Экспоненциальным трансформатором называется линия, по длине которой волновое сопротивление изменяется по экспонен­ циальному закону (рис. 3.5). Это достигается изменением расстояния между проводами или их диаметра и соответственно изменением погонной индуктивности и емкости трансформатора по его длине.

Если расстояние между проводами увеличивается от начала к концу (рис. 3.5, а), то с ростом координаты х (приближением к на­

чалу линии) погонная емкость возрастает от С12до С\х (сближаются провода), а погонная индуктивность уменьшается от Ll2 до L\x (на каждую единицу длины приходятся провода меньшей протяженнос­ ти). Соответственно уменьшается волновое сопротивление от ZB2

до Zax:

где Ь — коэффициент, характеризующий степень изменения пара­ метров вдоль линии.

от начала к концу и в соответствии с приведенными формулами уве­ личение х сопровождается ростом погонной индуктивности, умень­ шением погонной емкости и соответствующим увеличением волно­ вого сопротивления.

К началу экспоненциальной линии (х = I) относятся погон­ ные параметры Lu , Сп и волновое сопротивление^, а к концу (х = = 0) — соответственно L12, С12, Z.2. Эти величины связаны зависи­ мостью

Г

Отсюда

^В2

а длина экспоненциального трансформатора равна

. z„5 2,3 . zu2

Как показывает формула (51), длина трансформатора I должна быть тем больше, чем больше отношение ZB2/Zd1, называемое коэф­ фициентом трансформации, и чем меньше параметр 6, т . е. чем мень­ ше степень изменения погонных параметров линии по ее длине.

Такой трансформатор позволяет согласовать сопротивления, равные ZBl и Zb2. Как показано в нижней части рис. 3.5, вход транс­ форматора подключается к фидеру с волновым сопротивлением ZHl, а выход — к фидеру с волновым сопротивлением ZB2. Если волно­ вое сопротивление трансформатора изменяется по его длине доста-

Рис. 3.6. Трансформатор сопротивлений с линей­ но изменяющимися параметрами.

точно плавно (коэффициент b невелик), то отражения в нем не пре­ вышают допустимой величины (kcn близок к единице) и по всей линии передачи удается получить режим, близкий к бегущим волнам. Важно, что этот режим сохраняется в экспоненциальном трансфор­ маторе в широком диапазоне волн.

Параметры b и kCB связаны зависимостью

Смысл этой зависимости ясен: величину | b | нужно брать тем мень­ шей, а следовательно, длину трансформатора / тем большей, чем меньше допустимый kcn в линии передачи (выше требования к ка­ честву согласования) и больше максимальная длина волны Ямакс рабочего диапазона; последнее связано с уменьшением отношения /Амакс, от которого фактически зависит интенсивность стоячих волн при данном коэффициенте трансформации

Физическая сущность согласования экспоненциальным транс­ форматором заключается в том, что по мере увеличения его волнового сопротивления амплитуда напряжения возрастает, а амплитуда тока уменьшается, причем эти изменения происходят достаточно плавно, так что режим бегущих волн практически сохраняется.

Существуют стандартные экспоненциальные линии следующих

типов: ТФ2 ^ —трансформатор фидерный двухпроводный с коэф­

На практике, особенно в диапазоне сверхвысоких частот, ши­ роко применяются отрезки линий, поперечные размеры которых изменяются по линейному закону (рис. 3.6). Изготовление таких трансформаторов проще, чем экспоненциальных, а при достаточно большой длине они близки по эффективности согласования к экспо­ ненциальным.

а

двухпроводных линиях широко применяется согласование при по­ мощи реактивного шунта в виде разомкнутого или короткозамкну­ того шлейфа (рис. 3.7). Такой способ согласования был предложен В. В. Татариновым.

Как известно, в несогласованной линии имеются сечения в которых с интервалом в %/А чередуются последовательный и

сации предназначен шлейф, который включается в то же сечение а—Ъ. Являясь отрезком короткозамкнутой или разомкнутой линии, шлейф имеет входную проводимость реактивного характера. Ее устанав­ ливают равной и противоположной по знаку 6НХ подбирая длину /2. Тогда вся основная часть фидера (от генератора до а—Ь) замкну­ та на активную нагрузку, проводимость которой равна волновой gQ и потому в этой части фидера имеются только бегущие волны с напряжением U6 и током /б.

Принципиально шлейф может быть как разомкнутой, так и короткозамкнутой линией, но чаще применяют последнюю, так как длина ее легко регулируется и можно использовать имеющуюся

Рис. 3.8. Согласование сопротивлений при помощи двух шлейфов.

в ней перемычку в качестве механической опоры. Кроме того, поте­ ри в короткозамкнутой линии меньше, чем в разомкнутой. Для уменьшения размеров и потерь в шлейфе длину его, как правило,

имеет емкостный характер. Разомкнутый шлейф включают на рав­ ном расстоянии, но по другую сторону от резонансного сечения.

Согласование одиночным шлейфом основано на том, что отра­ женная от нагрузки волна замыкается через шлейф, отражается от его короткозамкнутого (или разомкнутого) конца и возвращается к нагрузке, не попадая в основную часть фидера, включенную между генератором и шлейфом. Таким образом, стоячие волны существуют только в шлейфе и в той части фидера, которая расположена между шлейфом и нагрузкой Очевидно, что шлейф следует включать как можно ближе к нагрузке.

5.Согласование при помощи двух шлейфов. В коаксиальных

фидерах, где трудно перемещать шлейф, согласующее устройство с реактивным шунтом содержит два неподвижных шлейфа, которые замыкаются накоротко подвижными плунжерами (рис. 3.8). Такая схема была предложена советским специалистом Г. А. Михельсо­ ном.

Обычно расстояние между шлейфами / 3 равно Х/8 или ЗЯ/8. Полное согласование достигается в сечении а — с, к которому

подключен первый шлейф Шли и до этого сечения фидер работает в режиме бегущих волн. Следовательно, в а — с активная состав­ ляющая входной проводимости GBX по направлению к нагрузке должна быть равна волновой проводимости фидера gD= 1/ZB а реактивная составляющая той же проводимости компенсируется противоположной реактивной проводимостью шлейфа Шлх.

Как видно, этот шлейф выполняет те же функции, что и подвиж­ ный шлейф на рис, 3.7. Различие между этими системами заклк> чается в том, что условие подключения одиночного шлейфа к се­ чению с GBX= gB достигается передвижением шлейфа, а в данном случае (рис. 3.8) для этого изменяется длина /2 шлейфа Шл2.

Отдельно взятый отрезок фидера длиной /4, замкнутый на со­ противление Z2, имеет входную (между b — d) проводимость комп­ лексного характера. К тем же точкам b — d подключается шлейф Шлъ имеющий некоторую реактивную проводимость. Значит с его

вать как нагрузку основной части фидера, начинающейся на зажи­ мах генератора и оканчивающейся в b — d, то от соотношения меж­ ду Rb-a и X b-d зависит положение резонанса в рассматриваемой части фидера. Изменяя l2t можно сместить резонансные сечения так, чтобы для сечения а — с, где включен шлейф Шл1У соблюдалось равенство RBZ = ZB. .Это и требуется для согласования.

В данном случае в шлейфах Шлх и Шл2 существуют стоячие волны, в фидере (от генератора до а — с) — бегущие волны, а от а — с до нагрузки Z2 — смешанные волны.

Расчет размеров 1Ъ l2i /3, /4 производится при помощи круго­ вых диаграмм.

6. Согласование при помощи объемных резонаторов. Объемные резонаторы могут быть использованы в качестве трансформаторов сопротивлений. При стоячих волнах в одном месте резонатора об­ разуется максимум электрического поля при минимуме магнитного поля, а в каком-то другом месте — наоборот. В остальных же точках полости резонатора значения напряженностей электрического и маг­ нитного полей промежуточные. Следовательно, входное сопротив-

Рис. 3.10 Согласование волноводов объемным резонатором.

ление резонатора в разных точках полости различное, и если энер­ гия в резонатор вводится при помощи петли связи /7Х(рис. 3.9), а выводится петлей связи /72 то от места их расположения зависит входное и выходное сопротивления резонатора. Очевидно, что вход­ ное сопротивление зависит и от площади витка связи, и от угла между плоскостью витка и линиями магнитного поля. Таким обра­ зом, объемный резонатор позволяет трансформировать сопротивле­ ния с требуемым коэффициентом трансформации.

Благодаря этому можно использовать объемные резонаторы и для согласования отрезков волновода с различными волновыми сопротивлениями (рис. 3.10). Здесь согласование производят, под­ бирая размеры окон связи, через которые вводится и выводится энергия из объемного резонатора.