Согласование линии передачи с нагрузкой

Согласование линии передачи с нагрузкой

Линии передачи, предназначенные для канализации энергии СВЧ сигналов от генератора к нагрузке, работают наилучшим образом только в определенном режиме – режиме согласования. Для анализа оптимальности передачи энергии от генератора в нагрузку рассматривается следующая схема (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Схема передачи энергии СВЧ

Генератор напряжения с э.д.с. (Э) и внутренним сопротивлением посредством линии передачи с волновым сопротивлениемzВи постоянной распространения связывается с нагрузкой, имеющей сопротивление. В общем случаеZн Zг ZВ, так что в линии передачи существуют отраженные волны.

Устранение отраженных волн достигается, например, путем создания дополнительных волн, отражающихся от согласующего устройства. Эти волны должны интерферировать, для чего требуется обеспечить равенство их амплитуд и сдвиг фаз на 180 о . Регулировка трансформаторов сводится к созданию условий, необходимых для полного погашения отраженных волн.

Согласование лини передачи означает настройку этой линии на режим бегущей волны. Рассмотрим, какие преимущества имеет согласованная линия в сравнении с несогласованной.

Максимальная отдача мощности генератора в нагрузку

Если линия передачи имеет нулевую длину L=0 (нагрузка подключена к выходу генератора), то мощность, выделяемая на активном сопротивлении нагрузки rн , равна

, (2.29)

откуда получается максимальная отдача мощности в нагрузку

. (2.30)

Таким образом, при комплексном внутреннем сопротивлении генератора нагрузка должна иметь реактивную часть, противоположную по знаку реактивности сопротивления генератора. Однако если генератор имеет чисто активное сопротивление , максимальная отдача мощности в нагрузку получается при чисто активном сопротивлении нагрузки

В дальнейшем будем предполагать, что генератор с линией передачи согласован, т.е. условие (2.30) выполняется.

Определим, какая часть мощности выделяется на активном сопротивлении нагрузки, если Zн ZВ. В этом случае от нагрузки имеется отраженная волна. Если линия передачи не имеет потерь, то активная мощность в любом сечении линии, в том числе и на нагрузке, одинакова. Например, в пучности напряжения она равна

, (2.31)

откуда ,

где Рпад – мощность, проходящая по линии передачи в режиме бегущей волны.

Используя соотношения для КСВможно записать мощность передаваемую в нагрузку в зависимости отКСВ

. (2.32)

Таким образом, если линия передачи не согласована с нагрузкой, часть мощности генератора отражается и отдача в нагрузку в соответствии с соотношениями (2.31) и (2.31) не максимальна.

Максимальный коэффициент полезного действия линии передачи

Предположим, что линия передачи имеет потери, характеризуемые коэффициентом затухания . КПД линии передачи определяется как отношение мощности в концеРн к мощности в начале линииР

.

Мощность в начале линии (в сечении 1) рис.2.11равна

а на нагрузке (в сечении 2)

Используя эти условия, получим зависимость КПД линии передачи от величины модуля коэффициента отражения в виде

(2.33)

При Г=0 КПД максимален и равен

. (2.34)

С увеличением отражения КПД уменьшается, причем особенно сильно для больших значений

Для пропускаемой линией передачи активной мощности в пучности напряжения можно записать

. (2.35)

Если предельное напряжение Uпред (или предельная мощность) в линии задано, то оно будет определяться величиной напряжения в пучности. Поэтому из (2.35) получаем

(2.36)

В результате, пропускаемая мощность уменьшается в  1 раз.

Рассмотрим методы построения согласующих устройств.

Общие принципы согласования нагрузки с линией передачи

Независимо от характера и типа согласующего устройства, а также полосы частот, в пределах которой сохраняется согласование, схема согласования имеет вид рис. 2.12.

Назначение согласующего устройства – устранить отраженную от нагрузки волну. Эту задачу решают двумя различными методами:

 путем поглощения отраженной волны в согласующем устройстве. При этом падающая волна проходит через согласующее устройство практически без потерь.

путем создания в линии передачи с помощью согласующего устройства еще одной отраженной волны, амплитуда которой равна амплитуде волны, отраженной от нагрузки. Фазы обеих отраженных волн отличаются на 180 0 . В результате отраженные волны компенсируют друг друга.

Первый метод согласования основан на применении либо мостовых схем, либо невзаимных устройств.

Согласующее устройство второго типа обычно состоит из реактивных элементов и практически не вносит потерь. Оно позволит получить входное сопротивление на стыке с линией, равное волновому Zвх =ZВ. В результате, в линии, левее места стыковки образуется бегущая волна.

Узкополосное согласование (УС). В задаче узкополосного согласования согласующие элементы строят из соображения получения полного согласования (Г=0) на одной фиксированной частоте. Степень согласования линии передачи с нагрузкой оценивается по характеристике согласования, которая представляет собой зависимость модуля коэффициента отражения от частоты. Полоса УС равна нескольким единицам процентов от .

С энергетической точки зрения наибольший интерес представляет согласование с помощью недиссипативного четырехполюсника. Согласующее устройство должно обладать свойствами идеального трансформатора, преобразующего высокочастотные напряжения, токи и полные сопротивления из одного сечения в другое без внесения активных потерь. Такими трансформаторами могут быть индуктивные, емкостные диафрагмы и другие неоднородности, включаемые в линию.

Методика УС заключается в следующем. Проводимость нагрузки выражается через активную и реактивную проводимости

, (2.37)

где Gн0, с помощью отрезка линии длинойl трансформируется в проводимость Y1, активная часть которой равна волновой проводимости линии, т.е.

Читайте также:  Поддержка стим восстановление аккаунта

. (2.38)

Реактивную часть проводимости Y1 компенсируют путем параллельного включения в линию равной по величине и противоположной по знаку реактивной проводимости (-iB1). В результате входная проводимость нагрузки на зажимах11 (рис.2.13) становится чисто активной и равной волновой проводимости, т.е. линия нагружается на сопротивление, равное ее волновому сопротивлению, что соответствует идеальному согласованию. Заменив везде термины проводимость на сопротивление можно придти к схеме согласования, где компенсирующее реактивное сопротивление (-iX) включается в линию последовательно.

Рассмотрим наиболее распространенные типы трансформаторов полных сопротивлений.

Реактивные шлейфы. Отрезок линии передачи с режимом короткого замыкания или холостого хода в сечении нагрузки. Из формул трансформации (2.18) и (2.19) следуют формулы реактивных сопротивлений и проводимостей шлейфов:

, (2.39)

. (2.40)

Отрезки короткозамкнутых линий с длиной менее полуволны часто используют в качестве согласующих элементов, а также в качестве элементов колебательных контуров с распределенными параметрами. Разомкнутые отрезки применяют значительно реже. Причем в полых волноводах и многих других линиях передачи режим холостого хода нежелателен из-за интенсивного излучения выходного отверстия.

Диафрагмы в волноводах. Тонкая металлическая пластина с отверстием, помещенная в сечении волновода, называется диафрагмой. Диафрагмы используют как реактивные элементы для согласования сопротивлений.

На рис. 2.14?,а схематично изображена симметричная диафрагма в волноводе прямоугольного сечения. Диафрагма имеет прямоугольное сечение с размерами а / и b. Для волны Н10 диафрагма возмущает магнитное поле, и поэтому данная неоднородность может быть представлена в виде индуктивности (рис. 2.14,a). Диафрагма носит название индуктивной. Относительную величину реактивного сопротивления можно вычислить по следующей приближенной формуле [3]

(2.41)

На рис. 2.14,b изображена емкостная симметричная диафрагма и ее эквивалентная схема для Н10 волны. Диафрагма такой конфигурации сильно возмущает электрическое поле волны. Относительное значение нормированной проводимости приближенно выражается так:

, (2.42)

Для обеспечения в линиях передачи режима бегущей волны применяются нагрузки. Нагрузки классифицируются на :

Согласованные нагрузки предназначены для поглощения мощности, передаваемой по линии передачи. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры и в виде меры согласования в измерительных устройствах СВЧ.

При включении согласующего элемента в линию должен обеспечиваться принцип согласования:

в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента.

При согласовании необходимо, чтобы сопротивление нагрузки удовлетворяло двум условиям:

1) Активная часть нагрузки должна равняться волновому сопротивлению линии:

, (1.1а)

2) Реактивная часть нагрузки должна равняться нулю:

. (1.1б)

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (1.1), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

‑ увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

‑ увеличение электрической прочности линии;

‑ устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

Основной характеристикой согласованной нагрузки является модуль ее коэффициента отражения (или соответствующие значения КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. Технически возможно создание нагрузок с в относительной полосе частот 20-30 % и более. Ввиду малости требования к фазе коэффициента отражения от нагрузки не предъявляются и эта фаза может иметь любое значение в интервале 0…2 .

Наряду с КСВН для описания согласования линии передачи с генератором используются такие показатели, как

‑ коэффициент возвратных потерь

. (1.2а)

Иногда она выражается и с отрицательным значением, т.е.

; (1.2б)

‑ потери на рассогласование – рабочее затухание

(1.3а)

. (1.3б)

Согласование может быть выполнено в узкой или в широкой полосе частот.

Узкой принято считать полосу частот , составляющую единицы процентов от средней частоты . В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования . Типичный график зависимости КСВН тракта от частоты представлен на рисунке 1.2. Конкретное значение определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,1..2.

Рисунок 1.2 – Типичная зависимость КВСН тракта от частоты

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются:

‑ два и три последовательных или параллельных шлейфа.

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

Рассмотрим применение указанных выше согласующих устройств.

Четвертьволновый трансформатор – устройство, представляющее собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением , включенным в разрыв основной линии передачи.

Найдем место включения трансформатора в линию и его волновое сопротивление. В предыдущей лекции было показано, что принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:

, (1.4)

где ‑ входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки , в месте подключения трансформатора , как показано на рисунке 1.3;

Рисунок 1.3 – Согласование линии с нагрузкой с помощью

‑ входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении с подключенным к нему отрезком линии длиной , нагруженной сопротивлением нагрузки .

Читайте также:  Как перевести айфон в режим восстановления

Условия согласования (1.1) требуют, чтобы , т.е. . Отсюда следует, что должно быть чисто действительной величиной: .

Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии , в которых входное сопротивление линии чисто активное. Такое наблюдается в сечениях, где напряжение достигает максимума или минимума:

. (1.5)

В максимумах напряжения . В связи с этим .

В минимумах напряжения , следовательно, .

На рисунке 1.4 представлены варианты исполнения четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной линий для двух рассмотренных случаев. Из анализа рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант . На рисунке 1.5 представлены эпюры напряжений в линии без согласующего устройства и согласующими четвертьволновыми трансформаторами и .

Рисунок 1.4 – Четвертьволновые трансформаторы:

а – на двухпроводной линии; б – на коаксиальном кабеле

Рисунок 1.5 – Эпюры напряжения в линии: а – с комплексной нагрузкой;

б – с комплексной нагрузкой и трансформатором ;

в – с комплексной нагрузкой и трансформатором

Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной с волновым сопротивлением W, который включается в разрыв одного из проводов линии, как показано на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Согласующий последовательный короткозамкнутый шлейф

Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию и длины шлейфа .

Найдем и из условия согласования линии в сечении . В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа включено последовательно с входным сопротивлением линии . Сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии:

.

; .

, , . (1.6)

Из анализа выражений (1.6) следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии. Длину шлейфа следует выбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа.

Недостаток – при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

Рассмотрим параллельный шлейф. Согласующее устройство в виде параллельного шлейфа показано на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Согласующий параллельный короткозамкнутый шлейф

Согласование, как и для последовательного шлейфа, достигается подбором места включения шлейфа в линию и длины шлейфа .

Условие согласования имеет вид:

,

где ‑ входная проводимость линии в месте подключения шлейфа;

, ‑ активная и реактивная части входной проводимости;

‑ реактивная проводимость шлейфа длиной .

Отсюда следует, что

; ;

; . (1.7)

Здесь ‑ расстояние от нагрузки до первого максимума напряжения.

Параллельный шлейф необходимо включать в таком месте, 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 те же, что и для последовательного шлейфа.

Однако в двухпроводной линии параллельный шлейф может быть сделан подвижным, т.е. перемещающимся вдоль линии. В остальных типах линий применяют два и три последовательных или параллельных шлейфа. При этом добиваются того, чтобы активная часть входного сопротивления линии в месте включения второго шлейфа стала равной волновому сопротивлению линии. Подбирая длину второго шлейфа, компенсируют реактивную часть входного сопротивления линии. Аналогично работает и параллельное двухшлейфовое согласующее устройство. Однако объяснение принципа работы следует провести в терминах проводимостей.

Недостаток двухшлейфовых согласователей – не могут обеспечить согласование всех возможных нагрузок.

Дата добавления: 2015-11-06 ; просмотров: 8186 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Для обеспечения в линиях передачи режима бегущей волны применяются нагрузки. Нагрузки классифицируются на :

Согласованные нагрузки предназначены для поглощения мощности, передаваемой по линии передачи. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры и в виде меры согласования в измерительных устройствах СВЧ.

При включении согласующего элемента в линию должен обеспечиваться принцип согласования:

в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента.

При согласовании необходимо, чтобы сопротивление нагрузки удовлетворяло двум условиям:

1) Активная часть нагрузки должна равняться волновому сопротивлению линии:

, (1.1а)

2) Реактивная часть нагрузки должна равняться нулю:

. (1.1б)

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (1.1), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

‑ увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

‑ увеличение электрической прочности линии;

‑ устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

Основной характеристикой согласованной нагрузки является модуль ее коэффициента отражения (или соответствующие значения КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. Технически возможно создание нагрузок с в относительной полосе частот 20-30 % и более. Ввиду малости требования к фазе коэффициента отражения от нагрузки не предъявляются и эта фаза может иметь любое значение в интервале 0…2 .

Наряду с КСВН для описания согласования линии передачи с генератором используются такие показатели, как

‑ коэффициент возвратных потерь

Читайте также:  Как удалить администратора на мак

. (1.2а)

Иногда она выражается и с отрицательным значением, т.е.

; (1.2б)

‑ потери на рассогласование – рабочее затухание

(1.3а)

. (1.3б)

Согласование может быть выполнено в узкой или в широкой полосе частот.

Узкой принято считать полосу частот , составляющую единицы процентов от средней частоты . В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования . Типичный график зависимости КСВН тракта от частоты представлен на рисунке 1.2. Конкретное значение определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,1..2.

Рисунок 1.2 – Типичная зависимость КВСН тракта от частоты

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются:

‑ два и три последовательных или параллельных шлейфа.

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

Рассмотрим применение указанных выше согласующих устройств.

Четвертьволновый трансформатор – устройство, представляющее собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением , включенным в разрыв основной линии передачи.

Найдем место включения трансформатора в линию и его волновое сопротивление. В предыдущей лекции было показано, что принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:

, (1.4)

где ‑ входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки , в месте подключения трансформатора , как показано на рисунке 1.3;

Рисунок 1.3 – Согласование линии с нагрузкой с помощью

‑ входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении с подключенным к нему отрезком линии длиной , нагруженной сопротивлением нагрузки .

Условия согласования (1.1) требуют, чтобы , т.е. . Отсюда следует, что должно быть чисто действительной величиной: .

Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии , в которых входное сопротивление линии чисто активное. Такое наблюдается в сечениях, где напряжение достигает максимума или минимума:

. (1.5)

В максимумах напряжения . В связи с этим .

В минимумах напряжения , следовательно, .

На рисунке 1.4 представлены варианты исполнения четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной линий для двух рассмотренных случаев. Из анализа рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант . На рисунке 1.5 представлены эпюры напряжений в линии без согласующего устройства и согласующими четвертьволновыми трансформаторами и .

Рисунок 1.4 – Четвертьволновые трансформаторы:

а – на двухпроводной линии; б – на коаксиальном кабеле

Рисунок 1.5 – Эпюры напряжения в линии: а – с комплексной нагрузкой;

б – с комплексной нагрузкой и трансформатором ;

в – с комплексной нагрузкой и трансформатором

Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной с волновым сопротивлением W, который включается в разрыв одного из проводов линии, как показано на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Согласующий последовательный короткозамкнутый шлейф

Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию и длины шлейфа .

Найдем и из условия согласования линии в сечении . В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа включено последовательно с входным сопротивлением линии . Сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии:

.

; .

, , . (1.6)

Из анализа выражений (1.6) следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии. Длину шлейфа следует выбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа.

Недостаток – при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

Рассмотрим параллельный шлейф. Согласующее устройство в виде параллельного шлейфа показано на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Согласующий параллельный короткозамкнутый шлейф

Согласование, как и для последовательного шлейфа, достигается подбором места включения шлейфа в линию и длины шлейфа .

Условие согласования имеет вид:

,

где ‑ входная проводимость линии в месте подключения шлейфа;

, ‑ активная и реактивная части входной проводимости;

‑ реактивная проводимость шлейфа длиной .

Отсюда следует, что

; ;

; . (1.7)

Здесь ‑ расстояние от нагрузки до первого максимума напряжения.

Параллельный шлейф необходимо включать в таком месте, 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 те же, что и для последовательного шлейфа.

Однако в двухпроводной линии параллельный шлейф может быть сделан подвижным, т.е. перемещающимся вдоль линии. В остальных типах линий применяют два и три последовательных или параллельных шлейфа. При этом добиваются того, чтобы активная часть входного сопротивления линии в месте включения второго шлейфа стала равной волновому сопротивлению линии. Подбирая длину второго шлейфа, компенсируют реактивную часть входного сопротивления линии. Аналогично работает и параллельное двухшлейфовое согласующее устройство. Однако объяснение принципа работы следует провести в терминах проводимостей.

Недостаток двухшлейфовых согласователей – не могут обеспечить согласование всех возможных нагрузок.

Дата добавления: 2015-11-06 ; просмотров: 8187 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Ссылка на основную публикацию
Сколько секунд видео можно загрузить в инстаграм
Обновлено - 27 января 2020 IGTV — функция, с помощью которой можно выложить длинное видео в Инстаграм продолжительностью от 15...
Секреты работы в word
Все секреты Word. MicrosoftWord – одна из наиболее часто используемых программ. Все мы пользуемся этим приложением, зачастую даже не зная...
Секс во время соревнований
Воздерживаться или не воздерживаться – вот в чем вопрос Джоэл Сидман, кандидат наук Вот что вам нужно знать… Влияние секса...
Сколько символов на странице ворд
Вы можете посмотреть пример стандартной страницы перевода в формате doc. В рынке переводов можно встретить разные варианты определения условной страницы:...
Adblock detector