книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

При —Щ225что представляет наибольший интерес при конст­ руировании фазоинвертирующего ТЛ,

Как видим из (1.13), при чисто резистивной нагрузке, даже если Кн = Ж2о, входное сопротивление фазоинвертирующего ТЛ в общем случае является комплексным, что отмечалось ранее. Только при электрической длине отрезка линии р/*1= п/2 (^ = XIА ) входное сопро-

Входное сопротивление фазоинвертирующего ТЛ при (№ = л/2 определяется как входное сопротивление четвертьволнового транс­ форматора из отрезка линии с волновым сопротивлением И'п, на­ груженного на сопротивление Я„. Это наглядно следует из схемы рис. 1.5, когда сопротивления короткозамкнутых отрезков оказыва­ ются равными бесконечности. Источник сигнала Е при этом при­ соединяется к нагрузке через четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением 2о2 =

При $2. 0 входное сопротивление фазоинвертирующего ТЛ приобретает явно выраженный реактивный характер, стремясь к

(II)

что также следует из схемы рис. 1.5, когда сопротивление Ки шун­ тируется сопротивлением короткозамкнутого отрезка линии с вол­

зывает короткое замыкание источника Е. Очевидно, при уменьше­ нии длины отрезка линии мощность источника сигнала должна возрастать, чтобы поддерживать напряжение Е.

ского интереса из-за увеличения габаритов устройства.

Мощность, потребляемая по входу от источника Е, будет Рвк = =Е2/ 2Квх. На основании закона сохранения энергии из равенства

Рц„ = Ршк следует: Рвх= Щ2 /(Р22.

Как и ожидалось, резистивная составляющая входного сопро­ тивления оказалась равной входному сопротивлению четвертьвол­ нового трансформатора из отрезка линии с волновым сопро­ тивлением Щ2, нагруженного на сопротивление Щ2 (напомним, что при = п/2, 2 = Х/4 входное сопротивление ТЛ при любой конеч­ ной величине сопротивления резистивной нагрузки, а не только при К» ~ 0 2 2 оказывается чисто резистивным, т. е. при указанных усло­

виях реактивная составляющая входного сопротивления в парал­ лельной схеме представления (рис. 1 .8 )ЛГВХ= °°).

Из (1.136)

(1-И82р^)

и не зависит от частоты. Значение Лвх совпадает с (I).

В (1.15)

1-(1ГпЖ22/Г 12) = Г 11/2о1„

в итоге

что совпадает с (II).

Как видим, в параллельной схеме представления (рис. 1.8) ре­ активная составляющая входного сопротивления фазоинвертирую­ щего ТЛ оказывается равной сопротивлению короткозамкнутого отрезка линии с волновым сопротивлением 2011 (электродинамиче­ ское характеристическое сопротивление линии, образованной про­ водом 1 и общей проводящей поверхностью (землею, корпусом) устройства).

Итак, при реализации фазоинвертирующего ТЛ на отрезке ли­ нии длиной I необходимо выполнить условие Кн= Ж22, где Ки- со­ противление резистивной нагрузки ТЛ; 1Т22 - электростатическое характеристическое сопротивление линии, образованной проводом 2 и общей проводящей поверхностью (см. рис. 1.4).

В этом случае ток от источника напряжения Е через нагрузку Кп

1ки =-{Е1Шп) е ^

и напряжение на нагрузке

= //енЛ„ = - ^ ( ^ 22/ ^ 12)

не зависят по величине от частоты* Соответственно модуль коэф­ фициента передачи ТЛ по напряжению

является постоянной величиной и также не зависит от частоты

4

При условии, что напряжение источника сигнала Е не зависит от частоты. В общем случае ток через нагрузку и напряжение на нагрузке ТЛ в точности по­ вторяют характер изменения Е с частотой. У реальных источников постоянство Е с частотой обеспечивается с определенной точностью, которая зависит от многих факторов, в том числе и от нагрузки источника, определяемой ТЛ. У ТЛ 1:1 2 ВХ чисто резистивное и равно волновому сопротивлению линии; у фазоинвертирую­ щего ТЛ 20Кв общем случае комплексное.

* Коэффициент передачи по напряжению ТЛ определяется относительно напряжения источника сигнала Е, поэтому частотная зависимость напряжения ис­ точника Е на коэффициенте передачи ТЛ по напряжению не сказывается.

Резистивная составляющая входного сопротивления ТЛ в па­

раллельной схеме представления (см. рис. 1.8) Лвх = №гг и не зависит от частоты.

Реактивная составляющая входного сопротивления, напротив, зависит от частоты: )Хвх =]2.о\ \ Щ$1

Чем больше величина Хвх, тем меньше реактивная мощность в ТЛ, соответственно меньше действующие в нем токи и напряже­ ния. Более постоянной будет нагрузка для источника сигнала Е, оп­ ределяемая параллельным соединением Кт (1.14') и ]Хвх (1.15'). Чем больше значение 2оц, тем слабее влияние частоты сигнала на величину Хах (ослабляется влияние изменения электрической дли­ ны отрезка линии $1). При работе в узкой полосе частот следует выбирать (3^ = я /2 на средней частоте, т. е. I = Х.ср /4. Если выбрать I = Хср /4 при работе ТЛ в широкополосном устройстве, то характер реактивного сопротивления Хах будет изменяться от индуктивного (емкостного) до емкостного (индуктивного), что затруднит реализа­ цию цепи компенсации этого сопротивления. В широкополосном устройстве следует выбирать длину отрезка линии ТЛ I < А.в/4, где Х„ - длина рабочей волны, соответствующая верхней рабочей часто­ те и являющаяся минимальной рабочей волной. При этом характер реактивного сопротивления Хвх будет оставаться индуктивным во всей полосе рабочих частот, что облегчает построение цепи компенсации этого сопротивления. Более того, если выполняется условие

где ХПог - 20|,/у - погонная индуктивность линии с волновым сопро­ тивлением 2ои; V - скорость распространения электромагнитной волны в линии.

В этом случае входное сопротивление фазоинвертирующего ТЛ представляет параллельное соединение постоянного резистивного

сопротивления Кях = и сопротивления постоянной индук­ тивности 1зка, как в случае сосредоточенных элементов. Подключив параллельно входу ТЛ емкость или более сложную цепь из реак­ тивных элементов, можно с желаемой точностью добиться компен­ сации индуктивности Ьэкв и соответственно реализовать требуемую амплитудно-частотную характеристику устройства.

Так как [3, кн. 2, п. 4.16.1]

большие значения 2сЬ 2с2. Для этого надо уменьшать погонные ем­ кости проводов 1, 2 относительно общей проводящей поверхности (земли, корпуса) устройства. Соответственно не следует распола­ гать ТЛ близко от общей проводящей поверхности (земли, корпуса) [6] и надо исключать прикосновение к ней проводов линий ТЛ. Для увеличения 2с1, 2с2 можно повышать погонные индуктивности ли­ ний, образуемых проводами и общей проводящей поверхностью (землею, корпусом) устройства.

Если взять отрезок коаксиальной линии (например, коаксиаль­ ного кабеля) и источник сигнала Е присоединить к центральному (внутреннему) проводнику, то сопротивление 2с) = оо, так как экра­ нированный внутренний проводник коаксиальной линии не имеет собственной емкости относительно общей проводящей поверхности (земли, корпуса) [6]. Схема фазоинвертирующего ТЛ на отрезке ко­ аксиальной линии показана на рис. 1.9. На рис. 1.10 показаны сече­ ния коаксиальной (рис. 1.10,а) и двухпроводной (рис. 1.10,6) линий с обозначением погонных емкостей проводов относительно друг

2

Рис. 1.9

Рис. и О

При К„ = Ш22 У ТЛ по схеме рис. 1.9, как следует из (1.7),

Чтобы придать жесткость конструкции фазоинвертирующего ТЛ, между проводами 1, 2 и общей проводящей поверхностью, а в случае коаксиальной линии между проводом 2 (оплетка коаксиаль­ ного кабеля) и проводящей поверхностью следует поместить твер­ дый высокочастотный диэлектрик с малой диэлектрической прони­ цаемостью для уменьшения погонной емкости относительно про­ водящей поверхности либо твердый материал с большой маг­ нитной проницаемостью на высокой частоте в рабочей области частот для увеличения погонной индуктивности относительно про­ водящей поверхности. В качестве последнего используются пла­ стина феррита [10] либо одно или несколько ферритовых колец прямоугольного сечения, надеваемых поверх наружного провода коаксиальной линии (оплетки кабеля) и образующих трубку [4, 5, 9], либо поверх проводов двухпроводной линии в высокочастотной изоляции (например, два плотно скрученных провода, каждый во фторопластовой изоляции, протянутых через ферритовую трубку). При большой длине отрезка линии (коаксиальной, двухпроводной) для уменьшения размеров ТЛ этот отрезок часто наматывается на ферритовое кольцо тороидальной формы или прямоугольного сече­ ния либо для намотки используется набор колец прямоугольного сечения, образующих одну или две параллельно расположенные трубки [5, 7, 9, 11, 12, 17]. В этом случае конструкция ТЛ чисто внешне напоминает трансформатор обмоточного типа [10]. Для на­ мотки проводов линии ТЛ и придания необходимой жесткости кон­ струкции устройства можно использовать цилиндрические каркасы (катушки) из фторопласта (высокочастотный диэлектрик с относи­ тельной диэлектрической проницаемостью е,. * 2,1). При этом уда­ ется реализовать ТЛ на уровни мощности до сотен ватт - единиц киловатт.

Использование ферритовых пластин, колец, трубок усложняет процессы в ТЛ, так как электромагнитная волна распространяется в средах с разными значениями магнитной и диэлектрической прони­ цаемостей, соответственно с разными скоростями. Влияние волн в ферритовом магнитопроводе ТЛ на процесс передачи энергии от источника к нагрузке будет тем слабее, чем меньше будут их уров­ ни. Чтобы ослабить эти волны, не следует располагать ТЛ близко от проводящей поверхности (земли, корпуса), о чем мы уже говорили, а между линией и магнитопроводом необходим зазор [6], который получается обычно за счет изоляционного покрытия проводов используемой линии (как правило, провода во фторопластовой изоляции).

Ослаблению уровней волн в магнитопроводе ТЛ способствует и то, что для изготовления ТЛ обычно применяют линии с сильной электромагнитной связью между проводами При этом наиболь­ шая доля энергии распространяется в пространстве между провода­ ми 1, 2 и эта область оказывается определяющей в работе ТЛ. В то же время эта область получается практически свободной от ферро­ магнитного материала и его наличие в ТЛ слабо сказывается на ос­ новном потоке передаваемой мощности.

Ферромагнитный материал обеспечивает изоляцию проводов по высокой частоте от проводящей поверхности, способствуя уве­ личению характеристических сопротивлений линий для синфазных волн (напомним, что волновое сопротивление линии, пространство между проводами которой отличается от воздушного, при сохране­

нии поперечных размеров линии изменяется в ^р.г1ег раз по срав­

нению с волновым сопротивлением линии в воздушном про­ странстве, где ц.,., ег - соответственно относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости среды, заполняющей пространство между проводами линии).

В приложении 1 приведен анализ фазоинвертирующего ТЛ с использованием режимов синфазных и противофазных волн в свя­ занных линиях, из которого можно составить представление о на­ пряжениях и токах, соответствующих этим волнам, в проводах ТЛ.

*

Использование в ТЛ линий с сильной электромагнитной связью (поэтому ТЛ называют также трансформаторами с электромагнитной связью между обмот­ ками [6]) позволяет согласовать низкие значения сопротивлений Ян, Явх, В связан­ ных линиях выполняются следующие соотношения между характеристическими сопротивлениями (см., например, [3, кн. 2, п. 4.16.1]):

При 2с2=20 кя= 0,707; при 2с2> 20 кл> 0,707, В случаедвухпроводной линии из идентичных проводов Сх= С2, соответст­

венно 2С,= 2сэ= 2С = 1/уС]; 2ц| = 2п2 = 2П= 1/ у(С|+2 С|2); УУу* —1/VС^р = = 22С2П/ (2С2П); И7,, = Щ2= 22с 2П/ (2С+2П); кл= \УХ{ПУ12= (2С2П) /“(2С+2П). ’

Для обеспечения кл >0,707 необходимо иметь 2С> 5,83 2П.

При использовании для намотки ТЛ каркаса из фторопласта, поскольку изоляция проводов линии также фторопластовая, с боль­ шим основанием можно считать, что скорости распространения всех волн в ТЛ одинаковы и процессы в них полностью подчиняют­ ся уравнениям связанных линий (1.8)

В заключение рассмотрения фазоинвертирующего ТЛ обсудим вопрос о продольных индуктивностях проводов линий ТЛ, затраги­ ваемый, в частности, в [5, 7] и в других работах. В названных работах указывается, что эти индуктивности ограничивают сни­ зу рабочую частоту ТЛ, шунтируя источник (генератор) сигнала Е и нагрузку К». Продольная индуктивность провода 1 Епр\ шунтирует источник сигнала и соответственно вход ТЛ; продольная индук­ тивность провода 2 Ьпр2 шунтирует нагрузку Я,„ соответственно выход ТЛ.

Если обратиться к эквивалентной схеме фазоинвертирующего ТЛ (см. рис. 1.5), то можно заключить, что в качестве таких индук­ тивностей проявляют себя короткозамкнутые отрезки линий с вол­ новыми сопротивлениями 2о\ = 2С\ и 2оз = 2с2. В общем случае*

*

Скорость распространения V электромагнитной волны в среде с параметра­ ми Цг, бг связана со скоростью распространения электромагнитных волн в воздухе

При использовании фторопластовых катушек для намотки линии часть простран­ ства между проводами и общей проводящей поверхностью оказывается заполнен­ ной воздухом (воздушный зазор может оказаться полезным для улучшения теплоотвода от ТЛ, а в мощных устройствах также и для обеспечения электриче­ ской прочности, исключающей пробой между проводами и корпусом). В воздухе скорость распространения электромагнитной волны будет в « 1,45 раза

больше, чем в пространстве между проводами. Однако разброс по скоростям рас­ пространения электромагнитных волн в разных частях пространства при использо­ вании фторопластовой катушки оказывается меньше, чем при использовании ферритового магнитопровода.

При намотке проводов ТЛ на ферритовое кольцо или фторопластовую ка­ тушку расположение участков проводов оказывается различным по отношению к общей проводящей поверхности (например, один участок выше других), что де­ лает выделяемые линии неоднородными. Расположение ТЛ на удалении от прово­ дящей поверхности, а также создание зазоров между проводами и магнитопроводом ослабляют эту неоднородность. Названные конструктивные меры на­ правлены на то, чтобы энергия в ТЛ в основном распространялась в пространстве, непосредственно примыкающем к проводам.