Краткие теоретические сведения. Длинной линией называется электрическая цепь, протяженность которой соизмерима с длиной волны распространяющегося в ней колебания

Длинной линией называется электрическая цепь, протяженность которой соизмерима с длиной волны распространяющегося в ней колебания.

При включении такой линии к генератору, вдоль нее начинает распространяться бегущая волна тока и напряжения. Сопротивление, которое оказывает линия бегущей волне тока, называют волновым сопротивлением.

В линии без потерь волновое сопротивление носит чисто активный характер и определяется для двухпроводной линии, расположенной в воздухе, по формуле (*)

(*) где — волновое сопротивление, ом; а —расстояние между проводами, мм; — радиус проводов, мм.

Как определить характер нагрузки по экспериментально снятому распределению напряжений вдоль линии? а)- Если длина линии, нагруженной активным сопротивлением, составляет целое нечетное число четвертей волн, то ее входное сопротивление чисто активное и определяется по формуле б) Если длина линии составляет целое четное число четвертей волн (целое число полуволн), то ее входное сопротивление во всех случаях равно сопротивлению нагрузки: Следовательно, активная составляющая входного сопротивления линии в зависимости от ее длины изменяется от до Характер (знак) реактивной составляющей входного сопротив-ления определяется отношением . При линия подобна разомкнутой и реактивная составляющая входного сопротивления так же зависит от длины линии, как и в разомкнутой линии. При линия подобна коротко-замкнутой и зависимость от длины линии такая же, как и в короткозамкнутой линии (рис. 11.1).Зависимость входного сопротивления разомкнутой или короткозамкнутой линии с потерями от ее длины имеет такой же характер, как показано на рис.11.1. При комплексной нагрузке зависимость и от длины линии имеет тот же характер, что и при активной нагрузке, однако длина резонансной линии не равна целому числу четвертей волн. Входное сопротивление в этом случае подсчитывается по общей формуле В точках минимального напряжения в точках максимального напряжения При

Если нагрузкой линии является активное сопротивление по величине равное волновому сопротивлению (Z_B=p), то энергия бегущей волны целиком поглощается в нагрузке и никаких отражений не происходит. Такой режим работы линии называется согласованным. В этом режиме амплитуды напряжения остаются неизменными вдоль всей линии (рис. 11.1).

Если линия без потерь на конце замкнута накоротко (Z_B=0), разомкнута (Z_B = ∞) или нагружена на чисто реактивное сопротивление (Z_B=jx_B), to в нагрузке поглощения энергии не происходит. При этом вся энергия отражается от конца линии, т. е. в линии образуется отраженная бегущая волна, равная по величине падающей волне, но движущаяся от конца линии к генератору. Таким образом, в этом режиме в линии существуют две бегущие волны, распространяющиеся навстречу друг другу: падающая - идущая от генератора к нагрузке, и отраженная, идущая от нагрузки к генератору.

В тех точках линии, где напряжения этих волн оказываются в фазе, результирующее напряжение удваивается по амплитуде, образуя «пучности». В тех точках, куда падающая и отраженная волны приходят в противофазе, результирующее напряжение оказывается равным нулю, т. е. получаются так называемые «узлы». Узлы и пучности чередуются через расстояние, равное четверти длины волны.

Так, в результате интерференции двух одинаковых бегущих волн — падающей и отраженной — в линии устанавливается режим стоячих волн. При этом предполагается, что на входе линия согласована с источником сигнала и многократных отражений не происходит.

В режиме стоячих волн линия без потерь представляет для источника реактивное сопротивление. Короткозамкнутый четвертьволновый отрезок и разомкнутый полуволновый отрезки такой линии имеют входное сопротивление, равное бесконечности (с учетам потерь в линии, входное сопротивление будет, активным и максимальным). Короткозамкнутый полуволной отрезок и разомкнутый четвертьволновый имеют входное сопротивление, равное нулю (с учетом потерь их входное сопротивление будет минимальным и чисто активным).

Частотные свойства этих отрезков позволяют их использовать в радиотехнических устройствах диапазона СВЧ в качестве колебательных систем Выбирая соответствующие длины отрезков линии, больше ил; меньше четверти волны, можно их использовать в качестве эквивалентов индуктивности и емкости.

В общем случае при нагрузке, имеющей либо комплексны характер, либо чисто активный характер, но по величине отличающейся от волнового, сопротивления, в линии существуют одновременно и бегущая и стоячая волны. Такой режим называется режимом смешанных волн.

Соотношение между амплитудами бегущей волны, поглощаемой в нагрузке, и стоячей волны в этом случае определяется характером и величиной сопротивления нагрузки. Чем ближе значение сопротивления нагрузки к волновому, тем больше амплитуда бегущей волны и тем эффективнее передача мощности в нагрузку. Распределение напряжения вдоль линии в режиме смешанных волн также характеризуется наличием максимумов и минимумов. Однако в отличие от стоячих волн амплитуды в точках максимума будут меньше удвоенной амплитуды бегущей волны, а в точках минимума — не достигают до нулевых значений.

Если сопротивление нагрузки является чисто активным и большим, чем волновое сопротивление, то распределение напряжения имеет некоторое сходство с распределением напряжения в разомкнутой линии, а именно, на конце линии устанавливается максимум напряжения (см. рис. 11.1).

При активном сопротивлении нагрузки, меньшем волнового сопротивления, картина распределения напряжений похожа на режим короткозамкнутой линии тем, что на конце линии наблюдается минимум напряжения.

При комплексном сопротивлении нагрузки на конце линии устанавливается некоторое промежуточное значение напряжения, лежащее между максимальным и минимальным значениями. При этом, в зависимости от характера реактивной составляющей нагрузки, вся картина распределения напряжений сместится в ту или другую сторону по сравнению с картиной распределения при активной нагрузке. Таким образом, по картине распределения напряжения вдоль линии можно судить о характере реактивной составляющей нагрузки: если, считая от конца линии к началу, напряжение убывает, т. е. минимум напряжения находится ближе к концу, чем максимум, характер реактивной части нагрузки — емкостный. Если же от конца к началу линии напряжение возрастает, т. е. ближайшим к нагрузке является максимум напряжения, а не минимум, характер реактивной части нагрузки —индуктивный.

Аналогичным образом, можно определить характер реактивной составляющей сопротивления в любой точке линии: характер окажется емкостным, «если точка попадет на нисходящий участок кривой напряжения, считая от конца к началу линии; и индуктивным, если точка располагается на восходящем участке кривой напряжения (см. рис. 11.1).

В радиотехнических устройствах режим смешанных волн специально не создается, возникает он как вынужденный при недостаточном согласовании нагрузки с линией.

Для количественной оценки степени согласованности нагрузки с линией вводится коэффициент бегущей волны КБВ, равный отно шению минимального напряжения (тока) в линии к максимальному (см. рис. 11.1)

Величина определяется соотношением между conpoтивлением нагрузки в волновым сопротивлением линии. Если сопротивление нагрузки чисто активное, то

при

при

В реальных фидерных линиях получение идеального согласования ( =1) практически невозможно. Согласование считается хорошим, если лежит в пределах 0,7—0,8.

Вопросы для самопроверки

1. Какая электрическая цепь называется длинной линией?

2. Какие режимы работы линии возможны?

3. При каких условиях в линии возникают режимы бегущих волн, стоячих волн, смешанных волн?

4. Как численно оценивается степень согласованности линии с нагру|

5. Как экспериментально определяется ?

6. Почему четвертьволновый короткозамкнутый отрезок линии может использован в качестве изолятора?

7. Каковы распределения напряжения и тока в линии при различных режимах ее работы? |

8. Какой режим работы линия наиболее целесообразен для передачи энергии от генератора к нагрузке?

Поиск по сайту: