книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил. Радиооборудование самолетов

Стоячая волна образуется и в том случае, если ли­ ния нагружена на конце реактивным сопротивлением, т. е. емкостью или индуктивностью.

Если линия нагружена на сопротивление, не равное

Часть энергии поглощается сопротивлением нагрузки, а другая часть отражается от нее. Передача энергии в нагрузку тем больше, чем меньше сопротивление на­ грузки RH отличается от волнового сопротивления W. В этом случае напряжение вдоль линии нулевых значе­ ний не достигает. Через расстояния в четверть волны максимальные напряжения чередуются с минималь­ ными. Отношение минимального напряжения к макси­

Он равен нулю при наличии только стоячих волн в ли­

5. ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЛИНИИ

Входным сопротивлением линии ZBX называется от­ ношение напряжения UBX к току Івх в точке подключе­ ния источника энергии. Оно определяется выражением

При наличии бегущей волны входное сопротивление линии в любой точке линии имеет одно и то же значе­ ние и, как указывалось выше, равно волновому сопро­ тивлению W.

Входное сопротивление линии при стоячей волне, когда линия разомкнута или замкнута на конце, не равно волновому сопротивлению. В этом случае оно имеет реактивный характер.

50

6.СВОЙСТВА ОТРЕЗКОВ РАЗОМКНУТОЙ

ИКОРОТКОЗАМКНУТОЙ ЛИНИЙ

Распределение токов и напряжений вдоль разомкну­ тых на конце отрезков линий различной длины показано на рис. 1.18. На конце разомкнутой линии независимо от ее длины ток всегда равен нулю (так как Z2=oо), а напряжение достигает максимального значения. На вхо­ де же линии величины токов и напряжений зависят от длины отрезков линии.

Рис. 1.18. Графики, поясняющие ха­ рактер входного сопротивления от­ резков разомкнутой длинной линии:

а —длиной -J-; б — длиной в — длиной

зажимов источника ток получается наибольшим, а на­ пряжение равно нулю (левый рисунок 1.18,а). Входное сопротивление такого отрезка равно нулю, т. е. ZBX=

— Jisi. — о (так как t/BX= 0). Такой отрезок разомкнутой

*ВХ

линии можно уподобить последовательному идеальному контуру (контуру без потерь), настроенному в резонанс

51

(правый рисунок 1.18,«), так как его эквивалентное со­ противление также равно нулю.

бесконечно большое входное сопротивление, так как у за­ жимов источника ток равен нулю, а напряжение наи­

большее (левый рис. 1.18,6), т. е. Z BX= - ^ L —

При резонансе, сопротивление параллельного идеаль­ ного контура равно бесконечности, поэтому отрезок ра­

зомкнутой линии длиной / = -^-эквивалентен параллель­

ному идеальному контуру, настроенному в резонанс (правый рис. 1.18, б).

На рис. І.18,б показано распределение тока и на­

пряжения в отрезке разомкнутой линии длиной

Из этого рисунка видно, что входное сопротивление от­ резков линии длиной 7Д. 3/4Х, 5/А, когда волна, напря­ жения проходит через нуль (UBX= 0), равно нулю. Это означает, что такие отрезки линии эквивалентны идеаль­ ному последовательному контуру в момент резонанса.

Отрезки же линии длиной 7гХ, X, когда волна тока обращается в нуль (/Вх = 0), имеют входное сопротив­ ление, равное бесконечности. Такие отрезки линии экви­ валентны идеальному параллельному колебательному контуру в момент резонанса.

Входное сопротивление отрезка разомкнутой линии длиной /, меньшей четверти волны, имеет емкостный ха­ рактер, так как здесь напряжение и ток имеют одина­ ковые знаки (оба положительные) и, следовательно, от­ ношение напряжения, к току является положительным при условии, что ток опережает по -фазе напряжение.

Такой же (емкостный) характер входного сопротив­ ления будут иметь отрезки разомкнутой линии при дли­

7А, но меньше 7гХ, имеют индуктивный характер вход­ ного сопротивления. Такой же характер входного сопро­ тивления будет повторяться каждый раз при удлинении линии на величину 7гХ

52

Распределение токов и напряжений вдоль закоро­ ченных на конце отрезков линий различной длины по­ казано на рис. 1.19. На конце закороченной линии неза­ висимо от ее длины напряжение всегда равно нулю, так как сопротивление нагрузки Z2 — O, а ток достигает мак­ симального значения.

Рис. 1.19. Графики, поясняющие характер входного сопротивления отрезков закороченной длинной линии:-

х „ X 5,

а — длиной — ; о — длиной — ; в — длиной -^-х

На входе же линии величины токов и напряжений зависят от длины отрезков линии. Короткозамкнутый

отрезок линии длиной / = - j - (левый рис. 1.19, а) имеет

в точке подключения источника наибольшее напряже­ ние и ток, равный нулю, т. е. он обладает бесконечно

большим входным сопротивлением ^ZB5t = -у22- = °° ) .

Такой отрезок линии подобен параллельному контуру, так как при резонансе его сопротивление также равно бесконечности (правый рис. 1.19, а).

Короткозамкнутый полуволновый отрезок (левый рис. 1.19,6) имеет в точке подключения источника наи­ больший ток, а напряжение — равное нулю, т. е. он имеет входное сопротивление, равное нулю. Такой отрезок ли­ нии эквивалентен последовательному идеальному кон­ туру (правый рис. 1.19, 6).

На рис. 1.19, в показано распределение тока и на­ пряжения в линии длиной / —5ДХ. Из-этого рисунка вид­ но, что входное сопротивление отрезка линии длиной /, меньшей четверти волны, имеет индуктивный характер,

53

так как здесь напряжение и ток имеют одинаковые зна­ ки (оба положительные) и, следовательно, отношение напряжения к току является положительным при усло­ вии, что ток отстает по фазе от напряжения. Абсолют­ ное же значение величины входного сопротивления ме­

к току является отрицательным. Абсолютное же значе­

Сравнивая распределение напряжения и тока в ра­ зомкнутой линии, можно короткозамкнутую линию рас­ сматривать как разомкнутую, удлиненную на '/А.

7. ПРИМЕНЕНИЕ ДВУХПРОВОДНЫХ ЛИНИЙ

Двухпроводные линии применяются в качестве фи­ деров при передаче энергии от источника к нагрузке, а отрезки таких линий — в качестве колебательных систем в диапазоне метровых и дециметровых волн.

Применение линий в качестве фидера

Линию, предназначенную для передачи энергии, на­ зывают фидером. Наиболее часто используются двухпроводный воздушный и коаксиальный фидеры. Двухпро­ водная открытая линия (см. рис. 1.13, а) представляет собой систему двух параллельных проводов. Волновое сопротивление такой линии зависит от расстояния ме­ жду проводами D, от диаметра провода d и опреде­ ляется по формуле

Двухпроводные линии, применяемые на практике, имеют величину волнового сопротивления 300—600 ом. Они удобны в эксплуатации благодаря простой конст­

54

рукции. Однако такие линии применяются в качествефидеров лишь на волнах не короче 3 м, так как на бо­ лее коротких волнах в них возрастают потери на пара­ зитное излучение передаваемой энергии.

Коаксиальная (концентрическая) линия состоит из центрального провода, вокруг которого располагается внешний провод в виде жесткой или гибкой трубки. Ме­ жду ними находится изолятор в виде сплошного на­ полнителя из эластичной изоляционной пластмассы или в виде шайб из высокочастотной керамики. В качестве примера на рис. 1.13,6 приведены две коаксиальные

провода 5, колпачковых высокочастотных изоляторов 6, экранирующей оплетки 7 и наружной изолирующей оп­ летки 8.

Волновое сопротивление коаксиальных линий изме­ няется в пределах 50—100 ом. Токи высокой частоты протекают по внутренней поверхности экрана и внешней поверхности внутреннего провода. Преимущество коак­ сиальных линий перед открытыми двухпроводными за­

странстве между центральным проводом и экраном. Однако на очень высоких частотах увеличиваются по­ тери энергии в центральном проводе и в диэлектрике. Поэтому коаксиальные линии обычно применяются на волнах не короче 10 см (в сантиметровом диапазоне волн в качестве фидеров применяются волноводы).

Передача высокочастотной энергии в нагрузку при помощи фидера возможна лишь при достаточно хоро­ шем согласовании сопротивления нагрузки с волновым сопротивлением. Если сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению фидера, то часть энергии, пе­ реносимой падающими волнами, возвращается к гене­ ратору отраженными волнами и мощность генератора полностью не используется нагрузкой. Вместе с тем возрастают омические и диэлектрические потери в ли­ нии, так как в пучностях комбинированной волны на­ пряжение и ток получаются большими, чем в линии только с бегущими волнами. Для согласования актив­

55

ной нагрузки Ru с волновым сопротивлением фидера используется так называемый четвертьволновый транс­

форматор, представляющий отрезок линии длиной -j-

и включаемый между основным фидером и нагрузкой (рис. 1.20,а). Сущность согласования состоит в следую­ щем. Волна, подходящая к точкам а и б, частично отра-

Основной

фидер

Рис. 1.20. Согласующие устройства:

а — четвертьволновый трансформатор; б, в — резонансные трансформаторы

жается, а частично протекает через согласующий транс­ форматор к нагрузке. От нагрузки волна вторично отра­ жается и возвращается к точкам а и б, пройдя по транс­

форматору расстояние, равное 2 — = - j - . Условия

отражения от точек а и б и от активной нагрузки RHоди­ наковы. Поэтому в точках а и б волны, отраженные от трансформатора и нагрузки, будут иметь противополож­ ные фазы. При равенстве амплитуд произойдет их пол­ ная компенсация и вдоль основного фидера будет рас­ пространяться только бегущая волна.

Равенство амплитуд соблюдается, если волновое со­ противление трансформатора будет равно

Описанный принцип компенсации отраженных волн лежит в основе всякого согласования.

Если нагрузка содержит реактивную составляющую, то часто применяют резонансный трансформатор в ви­ де короткозамкнутой или разомкнутой согласующей ли­ нии (шлейфа), имеющей длину около четверти волны (рис. 1.20,6 и в). Длина шлейфа и точки подключения к нему основного фидера подбираются с таким расче­ том, чтобы волна, отраженная от нагрузки ZH, и волна, отраженная от конца шлейфа, компенсировали друг друга в точках а и б. Вследствие этого отраженные вол­ ны не распространяются по основному фидеру в сторону генератора, т. е. в фидере устанавливается бегущая волна.

Большое применение в согласующих устройствах нашли короткозамкнутые шлейфы, длина которых лег­ ко изменяется перемещением закорачивающего мо­ стика.

Использование отрезков линий в качестве колебательных систем

В диапазоне дециметровых (иногда и метровых) волн в качестве колебательных контуров часто исполь­ зуют четвертьволновые и полуволновые отрезки воз­ душных или коаксиальных линий, замкнутые на конце. Настройка таких контуров осуществляется изменением длины линии путем перемещения закорачивающей пе­ ремычки в двухпроводных воздушных линиях или плун­ жера (поршня) в коаксиальных линиях. Добротность таких систем достигает нескольких тысяч.

Благодаря высокой добротности отрезки коаксиаль­ ных линий используются и в качестве стабилизирующих элементов в ультракоротковолновых генераторах.

§4. АНТЕННЫ

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Устройства, излучающие электромагнитную энергию при передаче и улавливающие ее при приеме, назы­ ваются антеннами. Передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты в энергию электромаг­

57

нитных волн и обеспечивает излучение этих волн в за­ данных направлениях, а приемная антенна, наоборот, преобразует энергию электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты,'которая поступает на вход при­ емника.

Изобретение антенны относится к 1894 г. Великий русский физик, изобретатель радио А. С. Попов, про­ водя опыты с первыми приборами беспроволочного те­ леграфирования, впервые применил провод, поднятый над землей, который явился первой в мире антенной.

Первоначально антенны представляли собой провод или сеть проводов, подвешенных над землей и соеди­ ненных с аппаратурой радиостанции. Такую конструк­ цию имеют антенны и в настоящее время, но только для сравнительно длинных волн. В связи с освоением диа­ пазона более высоких частот конструкции антенн пре­ терпели существенные изменения.

Современная техника располагает большим количе­ ством разнообразных типов антенных устройств.

2. ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ

В электромагнитной волне проявляется взаимная связь электрического и магнитного полей: изменение одного из них вызывает появление другого. При этом уже из курса физики известно, что напряженность маг­ нитного поля, возникающего при изменении электриче­ ского поля, тем больше, чем быстрее происходят изме­ нения электрического поля. Следовательно, одним из условий образования интенсивных электромагнитных волн является достаточно высокая частота электриче­ ских колебаний.

Однако наличие электрических колебаний даже на сравнительно высоких частотах в замкнутых колеба­ тельных системах с сосредоточенными параметрами оказывается недостаточным для эффективного излуче­ ния электромагнитных волн этой цепью в пространство. Причиной этого является то, что колебательный контур с сосредоточенными постоянными представляет собой замкнутую цепь, размеры которой малы по сравнению с

58

длиной волны, соответствующей частоте колебаний кон­ тура. В самом деле, возьмем, например, любой виток катушки самоиндукции. В любой момент времени в двух диаметрально противоположных его участках то­ ки направлены противоположно друг другу. Следова­ тельно, на больших расстояниях от этого витка рассмо­ тренные его участки будут действовать как два близко расположенных противофазных излучателя. Волны, из­

изменении электрического поля в конденсаторе конту­ ра. Так как расстояние между его обкладками значи­ тельно меньше полуволны, то разноименные заряды, равные по абсолютной величине, будут являться также противофазными излучателями. Из сказанного ясно, ка­ кой должна быть электрическая цепь, чтобы она могла эффективно излучать электромагнитную энергию. Необ­ ходимо иметь разомкнутую (открытую) цепь, в кото­ рой отсутствовали бы участки с противофазными коле­ баниями.

В замкнутом колебательном контуре реактивные па­

ку открытый колебательный контур обладает индуктив­ ностью и емкостью, в нем можно получить свободные и вынужденные колебания: Вынужденные колебания в антенне возникают в том случае, если в ее цепь вклю­ чен источник высокой частоты. Если частота источника

можно получить двумя способами: изменением частоты источника тока или изменением параметров антенны. Эффективное излучение антенной возможно лишь тогда, когда ее геометрические размеры согласованы с длиной волны подводимых к ней колебаний.

Простейший открытый колебательный контур с рас­ пределенной емкостью и индуктивностью (сопротивле­ нием потерь пренебрегаем) можно получить, если раз­ вернуть отрезок двухпроводной разомкнутой линии

длиной -J- так, чтобы два провода ее расположились

по одной оси. В этом случае отрезок двухпроводной ли-

59