Способы узкополосного согласования

Узкой принято считать полосу частот 2Df, составляющую единицы процентов от средней частоты f₀. В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования K_св < K_свдоп.

Типичный график зависимости K_св тракта от частоты представлен на рис.1. Конкретное значение K_{св доп} определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,02... 2.

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются следующие устройства: четвертьволновый трансформатор, последовательный шлейф, параллельный шлейф, два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Такие согласующие устройства используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.

 

Рис. 1. Типичная зависимость K_св тракта от частоты

 

Четвертьволновый трансформатор.Это устройство представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением W_тp ¹ W, включенным в разрыв основной линии передачи.

 

Принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии , которое в рассматриваемом случае примет вид:

 

Z_вх(z₀)Z_вх(z₀ + l_л / 4) = W²_тp,

 

где Z_вх(z₀) - входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки Z_н, в месте подключения трансформатора z₀
(рис. 2); Z_вх(z₀ + l_л / 4) – входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении (z₀ + l_л / 4) с подключенным к нему отрезком линии длиной z₀, нагруженной сопротивлением нагрузки Z_н.

 

 

Рис.2.Согласование линии с нагрузкой с помощью четвертьволнового трансформатора

 

Условия согласования требуют, чтобы Z_вх(z₀ + l_л / 4) = W, т. е. Z_вх(z₀)W = W²_тp.

 

Отсюда следует, что Z_вх(z₀) должно быть чисто действительной величиной:

Z_вх(z₀) = R_вх(z₀).

 

Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии z₀, в которых входное сопротивление линии чисто активное. Входное сопротивление линии чисто активное в сечениях линии, где напряжение достигает максимума или минимума. Поэтому четвертьволновый трансформатор включается в максимумах или минимумах напряжения и его волновое сопротивление определяется соотношением:

.

 

В максимумах напряжения R_вх= WK_св, поэтому при включении трансформатора в максимум напряжения его волновое сопротивление
W_тp > W.В минимумах напряжения R_вх= W / K_св, поэтому при включении трансформатора в минимум напряжения W_тp< W.

Таким образом, выбор места включения трансформатора (максимум или минимум напряжения) определяет соотношение его волнового сопротивления с волновым сопротивлением линии, а это, в свою очередь, определяет соотношение геометрических размеров поперечного сечения трансформатора и линии.

Последовательный шлейф.

 

 

Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной l_ш, с волновым сопротивлением W, который включается в разрыв одного из проводов линии (рис. 3). СОГЛАСОВАНИЕ ДОСТИГАЕТСЯ ПОДБОРОМ МЕСТА ВКЛЮЧЕНИЯ ШЛЕЙФА В ЛИНИЮ Z_Ш И ДЛИНЫ ШЛЕЙФА L_Ш.

 

Недостаток такого способа согласования состоит в том, что при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

Параллельный шлейф.Согласующее устройство в виде параллельного шлейфа показано на рис. 4. Как и в предыдущем случае, согласование достигается подбором места включении шлейфа z_шв линию и длины шлейфа l_ш. Условие согласования имеет вид

 

Y_вх(z_ш) + jB_ш(l_ш) = 1/W,

 

где Y_вх(z_ш) = 1/Z_вх(z_ш) = G_вх(z_ш) + jB_вх(l_ш) – входная проводимость линии в месте подключения шлейфа; G_вх, B_вх– активная и реактивная части входной проводимости линии; B_ш(l_ш) – реактивная проводимость шлейфа длиной l_ш. Отсюда находим:

 

G_вх(z_ш) = 1/W; (1)

 

 

B_ш(l_ш) = -B_вх(z_ш). (2)

 

Из (1) и (2) следует, что ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ШЛЕЙФ НУЖНО ВКЛЮЧАТЬ В ТАКОМ СЕЧЕНИИ ЛИНИИ, В КОТОРОМ АКТИВНАЯ ЧАСТЬ ВХОДНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЛИНИИ РАВНА ВОЛНОВОЙ ПРОВОДИМОСТИ, А ДЛИНУ ШЛЕЙФА СЛЕДУЕТ ВЫБИРАТЬ ТАК, ЧТОБЫ ЕГО РЕАКТИВНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ КОМПЕНСИРОВАЛА РЕАКТИВНУЮ ЧАСТЬ ВХОДНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЛИНИИ.

Недостатки параллельного шлейфа такие же, как и у последовательного: при изменении нагрузки изменяются длина шлейфа и место его включения в линию. В экранированных линиях менять место включения шлейфа конструктивно неудобно. Поэтому в качестве согласующего устройства применяют два и три последовательных или параллельных шлейфов.