ИЗОЛЯТОРЫ КОАКСИАЛЬНОГО ТРАКТА

В коаксиальных трактах с воздушным заполнением существует проблема крепления внутреннего проводника коаксиальной линии. К устройствам крепления предъявляются противоречивые требования: они должны: не вызывать отражения, не снижать электрическую прочность, не увеличивать коэффициент затухания, не сужать рабочую полосу частот. Наиболее распространены два способа крепления внутреннего проводника: с помощью диэлектрических шайб и с помощью металлических изоляторов.

Диэлектрические шайбы снижают электрическую прочность тракта из-за облегчения условий пробоя по поверхности шайбы и в результате роста напряженности поля в зазоре между шайбой и центральным проводником линии.

 

 

Рис. 2.11. Металлические изоляторы для коаксиальной линии.

 

Рис. 2.12. Эквивалентная схема широкополосного изолятора

На сантиметровых волнах широко применяют так называемые металлические изоляторы — жесткие параллельные короткозамкнутые шлейфы длиной , поддерживающие внутренний проводник (рис. 2.11, а). Как правило, волновое сопротивление шлейфа выбирается таким же, как и в основной линии.

Металлический изолятор не нарушает согласования тракта на рабочей частоте, почти не снижает электрической прочности и вносит незначительные дополнительные потери. Однако такой изолятор является узкополосным, так как с изменением частоты изменяется электрическая длина шлейфа и в тракт вносится рассогласование.

Широкополосный металлический изолятор (рис. 2.11,б) кроме шлейфа длиной с волновым сопротивлением z_во содержит полуволновый трансформатор с пониженным относительно волнового сопротивления основного тракта волновым сопротивлением . Значение может быть выбрано таким образом, что изолятор оказывается идеально согласованным не только на центральной частоте, но и еще на двух частотах: выше и ниже основной частоты.

Пояснить подобное поведение частотной характеристики изолятора можно, рассмотрев трансформацию эквивалентной проводимости в линии.

На рис. 2.13-2.15 представлены круговые номограммы проводимостей с нанесенными на них точками, соответствующими различным сечениям тракта изолятора, для случаев полного согласования изолятора на трех частотах.

Следует отметить, что в данном случае согласуется не нагрузка на выходе изолятора (она считается идеально согласованной), а оптимизируются характеристики самого изолятора, который должен вносить в тракт минимальное рассогласование в возможно большей полосе частот.

На центральной частоте длина шлейфа равна четверти длины волны, и он не вносит какого-либо рассогласования в тракт на этой частоте. Полуволновый трансформатор преобразует проводимость на выходе точно в такую же проводимость на входе и тоже не вносит рассогласования в тракт.

На круговой диаграмме (рис. 2.13) процедура преобразования проводимостей на центральной частоте происходит следующим образом. Для пересчета проводимости из сечения а-а в сечения б-б или с-с с помощью круговой номограммы необходимо пронормировать сопротивление нагрузки в сечении с-с относительно волнового сопротивления трансформатора. При этом получаем проводимость нагрузки равную z_втр/z_во<1 (точка 1 на диаграмме рис. 2.13). далее двигаемся по трансформатору в сторону генератора, на четверть длины волны до сечения б-б (точка 2 на рис. 2.13). Поскольку проводимость шлейфа на центральной частоте равна нулю, суммарная проводимость в сечении б-б остается неизменной. Далее, двигаясь вдоль трансформатора в сторону генератора еще на четверть длины, волны приходим в точку 1.

Осуществляем обратную перенормировку полученной проводимости. В результате получаем, что в сечении с-с эквивалентная проводимость тракта равна 1/z_во, т.е. тракт от генератора до изолятора работает в согласованном режиме.

Рассмотрим работу изолятора на некоторой частоте f_{н ,} меньшей f_0. В этом случае длина половины трансформатора становится меньше половины длины волны и эквивалентная проводимость линии в сечении б-б оказывается на номограмме в некоторой точке 2 (рис. 2.14). При этом реактивная часть эквивалентной проводимости будет положительной. Однако шлейф также становится менее четверти длины волны. Поскольку он короткозамкнутый, проводимость на его входе оказывается отрицательной. Можно так подобрать частоту f_{н ,}что проводимость шлейфа будет по модулю в два раза больше, чем реактивная проводимость в т. 2. В этом случае суммарная проводимость будет характеризоваться точкой 3 на номограмме, расположенной симметрично точке 2 относительно линии Imy=0. Пересчитывая это значение в сечение с-с, приходим вновь в точку 1 и после перенормировки опять получаем полное согласование на входе изолятора.

Рис. 2.13. К пояснению работы широкополосного изолятора на центральной частоте согласования .

 

Рис. 2.14. К пояснению работы широкополосного изолятора на низшей частоте согласования .

 

На частоте f_в ситуация аналогична рассмотренной выше. Однако в этом случае длина половины трансформатора становится больше четверти волны и в сечении б-б получаем значение проводимости, соответствующее точке 2 на рис. 2.15.

Здесь реактивная часть эквивалентной проводимости отрицательна. Но и шлейф становится большим четверти длины волны и проводимость на его входе становится положительной. Опять же можно так подобрать частоту f_в, что проводимость шлейфа будет по модулю в два раза больше, чем реактивная проводимость в т. 2. При этом суммарная проводимость будет характеризоваться т.3 на диаграмме, расположенной симметрично точке 2 относительно линии Imy=0. Пересчет проводимости из сечения б-б в сечение с-с приводит нас вновь в точку 1.

На рис. 2.16,а показана зависимость КСВ в согласованном тракте с широкополосным изолятором при При изменении волнового сопротивления параметры частотной характеристики (уровень КСВ_max в пределах рабочей полосы частот и соответствующая этому уровню полоса согласования ) изменяются, как показано на рис. 2.16,б. Из графика видно, что рабочая полоса частот широкополосного металлического изолятора по уровню допустимого КСВ = 1,1 достигает 80% от центральной частоты.

 

Рис. 2.15. К пояснению работы широкополосного изолятора на верхней частоте согласования .

 

 

Рис. 2.16. а - частотная характеристика изолятора; б - КСВ широкополосного металлического изолятора и полоса рабочих частот.