 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Лекция 4
4.1. Узкополосное согласование
Идеология узкополосного согласования состоит в том, что в линии с помощью согласующего устройства создается дополнительная отраженная волна, которая складывается с волной, отраженной от нагрузки. Амплитуду отраженной от согласующего устройства волны формируют равной амплитуде волны, отраженной от нагрузки, а фазы обеих волн, отличающимися на 180 град., что приводит к их взаимной компенсации на частоте согласования.
На других частотах эта компенсация частична из-за отсутствия противофазности отраженных волн, поскольку отраженные волны формируются в разных сечениях тракта и геометрический путь от сечения отражения до сечения, где волны компенсируют друг друга, оказывается разным. Вследствие этого при изменении частоты изменение фазовых набегов для каждой из отраженных волн оказывается не одинаковым.
Поэтому для расширения полосы согласования надо стремиться уменьшать длины отрезков линий в элементах согласующего устройства и располагать их как можно ближе к нагрузке. Тогда при отклонении частоты от расчетной изменение электрических длин в согласующем устройстве будет меньшим, и рассогласование при изменении частоты будет нарастать медленнее.
На практике наиболее распространены следующие способы узкополосного согласования (рис. 4.1):
- параллельным либо последовательным шлейфом, размещаемым на определенном расстоянии от нагрузки (степени свободы: расстояние от входа нагрузки до шлейфа – lн, длина шлейфа – lш);
- четвертьволновым трансформатором (степени свободы: расстояние от входа нагрузки до трансформатора lн, и волновое сопротивление трансформатора – zвтр);
- двумя параллельными (последовательными) шлейфами, размещаемыми на фиксированном (обычно λв/8 или 3/8λв) расстоянии l1 один от другого и на произвольном (с некоторыми ограничениями) расстоянии от нагрузки (степени свободы: lш1 и lш2). Здесь и далее λв - длина волны в рассматриваемом тракте.
Рис. 4.1. Способы узкополосного согласования
а - параллельным шлейфом; б - последовательным шлейфом;
в - четвертьволновым трансформатором; г - двумя параллельными шлейфами
Узкополосное согласование с помощью параллельного шлейфа
Способ узкополосного согласования нагрузки с помощью параллельного реактивного шлейфа наиболее распространен на практике в связи с тем, что его реализация возможна практически для всех типов линий передачи. Шлейф подключается в том сечении линии, в котором активная составляющая эквивалентной нормированной проводимости линии, нагруженной на согласуемую нагрузку, равна единице (рис. 4.1.а, сечение а-а). Проводимость шлейфа выбирается равной реактивной составляющей эквивалентной проводимости линии в этом сечении с обратным знаком. В результате суммарная проводимость оказывается чисто активной и равной единице, что приводит к установлению режима бегущей волны в тракте между генератором и сечением включения согласующего устройства.
Узкополосное согласование с помощью последовательного шлейфа.
Идеология расчета согласующего устройства в данном случае, мало чем отличается от случая согласования параллельным шлейфом. Отличие состоит лишь в том, что согласующий шлейф включается в линию последовательно и в сечении, где он устанавливается, складываются не проводимости, а сопротивления. В связи с этим при проведении расчетов необходимо использовать номограмму сопротивлений.
Как и раньше сечение установки шлейфа определяется из условия, что в этом сечении эквивалентное сопротивление в линии имеет активную составляющую, равную 1, и произвольную реактивную составляющую, которая суммируясь с сопротивлением шлейфа дает суммарное реактивное сопротивление равное нулю.
Далее выбирается тип шлейфа (короткозамкнутый или разомкнутый) и определяется его длина.
Узкополосное согласование с помощью четвертьволнового трансформатора
Методика согласования четвертьволновым трансформатором основана на свойстве преобразования сопротивлений четвертьволновым отрезком линии передачи. В нашем случае соответствующее соотношение имеет вид:
(4.1)
где z с-с и z а - а соответствующие эквивалентные нормированные к zво (zво - волновое сопротивление основного тракта) сопротивления в сечениях с-с и а-а (рис 3.4в); 
– безразмерное нормированное к zво волновое сопротивление трансформатора.
Условие согласования означает, что z а - а равно единице. Тогда из (4.1) следует, что величина 
, должна быть действительной, поскольку 
и z а - а являются действительными величинами.
Сопротивление трансформатора находим как 
.
Сечениями линии, в которых эквивалентное сопротивление чисто активное, являются сечения либо узла, либо пучности распределения напряжения в линии, нагруженной на 
.
Узкополосное согласование с помощью двухшлейфного согласующего устройства.
Преимущество двухшлейфного согласующего устройства по сравнению с одношлейфным состоит в том, что в нем не требуется менять положение шлейфов в тракте (расстояния 
н и 1 на рис. 4.1,г). Согласование может быть достигнуто только за счет изменения длин шлейфов 
и 
.
Рассмотрим назначение элементов, представленных на схеме рис. 4.1,г.
Задача шлейфа 
, включаемого в сечение с-с, состоит получении в сечении а-а значения эквивалентной проводимости с единичной активной проводимостью и произвольной реактивной составляющей
y a-a = 1 +jb a-a (4.2)
Задача шлейфа такая же, как и у шлейфа в схеме на рис. 4.1,а –компенсация реактивной составляющей эквивалентной проводимости в сечении а-а с целью получения суммарной нормированной проводимости в этом сечении равной единице.
Особенности проведения согласования двухшлейфным согласующим устройством и ограничения присущие этому методу рассматриваются на упражнениях.
4.2. Широкополосное согласование линий передачи
Впервые задача широкополосного согласования комплексных нагрузок из сосредоточенных элементов была поставлена и решена американским ученым Р. М. Фано в 1950 г. Фано показал, что даже при бесконечном числе степеней свободы в реактивном согласующем устройстве невозможно достичь режима чисто бегущей волны в непрерывной конечной полосе частот и что не всякую комплексную нагрузку можно согласовать в заданной полосе частот с произвольно выбранным допустимым уровнем КБВ.
Выводы Фано были основаны на анализе процедуры передачи мощности от согласованного генератора через синтезируемый реактивный четырехполюсник РЧП1 в комплексную нагрузку, представляемую, в свою очередь, каскадным соединением произвольного, но фиксированного реактивного четырехполюсника РЧП2 и постоянного активного сопротивления 
(рис. 4.2,а).
а) б)
Рис. 4.2. а - схема широкополосного согласования в обобщенной форме;
б - НЧ-прототип простейшей комплексной нагрузки
Присутствие фиксированного реактивного четырехполюсника РЧП2 в эквивалентном представлении нагрузки как раз и приводит к появлению ограничений на возможности широкополосного согласования.
Как показал Фано для простейшей комплексной нагрузки в виде последовательной 
- цепи (рис. 4.2,б) ограничения сводятся к неравенству
(4.3)
Исходя из этого неравенства можно установить вид оптимальной частотной характеристики 
обеспечивающей максимальную полосу согласования при заданном допустимом значении 
. Очевидно, что в для оптимального случая величина 
должна оставаться постоянной пределах полосы согласования и равной 
, а за пределами этой полосы подинтегральная функция должна равняться нулю. Подобные оптимальные характеристики показаны на рис. 3.6 для двух значений полосы согласования.
В предположении прямоугольного вида оптимальной частотной характеристики интеграл в (3.8) легко вычисляется и для оценки предельно возможной полосы согласования получаем формулу для определения граничной частоты согласования по заданному уровню минимально допустимой величины КБВ в полосе согласования 
(4.4)
Рис. 4.3. Оптимальные частотные характеристики согласования (ωгр1= ω1, ωгр2= ω2)
Графики оптимальной и неоптимальной частотных характеристик для одного и того же значения Кдоп (ρдоп) показаны на рис 4.4.
Рис. 4.4. Оптимальный (S2, ω2) и не оптимальный (S1, ω1, ω', ω") варианты согласования.
В случае S2, 
характеристика имеет прямоугольную форму, соответствующую постоянному уровню коэффициента отражения в полосе согласования. Во втором случае на частотах ω', ω" модуль ρ меньшее чем ρдоп (вплоть до ρ=0). В соответствии с (3.8) в обоих случаях площадь под частотными кривыми имеет одно и то же ограничение, поэтому полоса согласования во втором случае получается меньшей (ω1<ω2).
Приведенный пример показывает, что при расчете широкополосных согласующих цепей не следует стремиться к идеальному согласованию в одной или нескольких точках заданной полосы частот. Чем большее число точек идеального согласования комплексной нагрузки достигнуто в требуемой полосе частот, тем более глубоких провалов КБВ следует ожидать между ними.
Таким образом, для правильного решения задачи широкополосного согласования комплексной нагрузки следует стремиться к равномерному распределению допустимого рассогласования в нужной полосе частот. За пределами этой полосы рассогласование должно быть возможно большим.
Заменой частотной переменной полученный выше результат может быть перенесен на случай согласования резонансной нагрузки в виде последовательного колебательного контура с известной собственной добротностью Q0= ω0L/r, где ω0 - резонансная частота. Предполагая, что частотная характеристика КБВ в окрестности резонансной частоты имеет идеальную прямоугольную форму в пределах полосы согласования 
находим
(4.5)
Это соотношение показывает, что максимально возможная полоса согласования получается тем меньшей, чем выше добротность нагрузки и допустимое значение КБВ.
Поиск по сайту: