книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

Реактивная составляющая входного сопротивления симметри­ рующего ТЛ (рис. 1.17) =]2с1\%р^.

Уотрезка I (рис. 1.17) наружный провод с обоих концов соеди­ няется с корпусом (землею) устройства. Очевидно, в принципе этот провод можно исключить, но для сохранения свойств устройства надо, чтобы линия, образованная оставшимся центральным провод­ ником и общей проводящей поверхностью (землею, корпусом), имела волновое сопротивление 20, т. е. отрезок I может быть вы­ полнен на основе однопроводной линии: провод над проводящей плоскостью. Однако может оказаться, что конструктивно в этом случае обеспечить необходимое волновое сопротивление сложнее, чем взять отрезок соответствующей коаксиальной линии и наруж­ ный провод (оплетку кабеля) соединить с обоих концов с корпусом (землею). Ферритовый магнитопровод или фторопластовая катушка для этого отрезка коаксиальной линии в принципе не нужны.

Уотрезка II наружный провод коаксиальной линии должен быть изолирован от корпуса (земли) устройства по всей длине, кро­ ме конца у нагрузки, где он надежно соединяется с корпусом. На­ ружный провод образует с общей проводящей поверхностью (корпусом) линию с волновым сопротивлением 2с2, величина кото­ рого должна удовлетворять условию

2 с2 Щ р ,у > З К ВХ= | К н.

4

Изображение симметрирующего ТЛ (рис. 1.17) с использовани­ ем символики двухобмоточного трансформатора с сердечником пред­ ставлено на рис. 1.19, при этом на рис. 1.19,а отражено, что для отрез­ ка I магнитопровод не нужен (нет сердечника), а на рис. 1.19,6 пока­ зано отсутствие магнитопровода и наружного провода у отрезка I.

В работах [7, 9, 10, 12, 17] приводится схема симметрирующего ТЛ, показанная на рис. 1.20, а в виде двухобмоточного трансфор­ матора с сердечником; на рис. 1.20, б - в виде отрезка связанных линий длиной I, которую мы используем для анализа. Нагрузка 7?н имеет соединение средней точки с землею (корпусом).

В соответствии с уравнениями (1.86), (1.8г), учитывая соответ­

линии и при подключении источника сигнала Е к центральному проводнику оказывается 2022= 2о|2'

Из (1.24а), учитывая (1.25), имеем

I _________________2Е (/?„+у-22022 Р1)________________(1.27)

соз -2 о12) Р^+7'2/?„ (2йи +2022) 1§ рй|

Из (1.27) очевидно, что ни при каком значении резистивной на­ грузки Кп не может быть получен независимый по величине от час­ тоты ток 7,0. Также не могут быть получены независимыми по величине от частоты ток /2о и напряжения 11\о, С/2о. Следовательно, рассматриваемое устройство в принципе не обладает свойством ТЛ: независимостью величины выходного тока (ток через нагрузку Л„) и величины выходного напряжения (напряжение 11к„на нагрузке Яи) от частоты, как это имеет место в ТЛ 1:1 (1.4) или в фазоинвер­ тирующем ТЛ (1.7).

Для улучшения симметрирующих свойств устройства по схеме рис. 1.20 в работах [7, с. 140]; [9, с. 206] предлагается выполнить соединение дополнительной линией (проводником) 3, как показано на рис. 1.21 пунктиром.

Авторы книг [7, 9] в работах [12, с. 79]; [17, с. 175] такое же со­ единение дополнительной линией предлагают для подобного уст­ ройства, но с нагрузкой, не имеющей прямого соединения с землею (корпусом) в средней точке (рис. 1.22). В книге [11, с. 17] для улуч­ шения симметрирующих свойств подобного устройства выполняет­ ся соединение дополнительной линией по схеме рис. 1.23, причем

= 2012 + 2 с2 Ж|2 / (2С, + 2Л + №\2 )• В случае коаксиальной линии 2С| =оо и 2032= 2 012.

независимо от того, имеет нагрузка соединение с землею (корпу­ сом) в средней точке или не имеет. Реализация схемы (рис. 1.23) с использованием отрезков коаксиальной линии приведена также в работе [9, с. 206, рис. 3.19,г] для случая нагрузки со средней точкой, соединенной с землею (корпусом).

Следует отметить, что наличие или отсутствие прямого соедине­ ния средней точки у нагрузки с землею (корпусом) не безразлично для рассматриваемых симметрирующих устройств (рис. 1.20... 1.23) и существенно сказывается на их характеристиках, так как изменяет граничные условия в местах присоединения нагрузки. В этом легко убедиться, если рассмотреть устройство по схеме (рис. 1.20), но без прямого соединения средней точки у нагрузки, разделяющей Кн на две равные части Кн/2, с землею (корпусом) устройства. Схема тако­ го устройства приведена на рис. 1.24.

В точках присоединения нагрузки (рис. 1.24) имеют место сле­ дующие граничные условия:

которые отличаются от соответствующих граничных условий (Б) в схеме рис. 1.20.

Как видно, у устройства по схеме рис. 1.24 в силу отсутствия утечки токов на землю (корпус) с концов отрезков линий 1, 2 в точ­ ках присоединения К» токи у концов (полюсов) нагрузки одинаковы по величине и находятся строго в противофазе, что требуется для симметрирующего устройства. Напомним, что в устройстве по схе­ ме рис. 1.20 подобные токи связаны соотношением (1.25) и в общем случае не совпадают по величине и не находятся в противофазе.

Если учесть выражения для электродинамических характе­ ристических сопротивлений (см.[3, кн. 2, п. 4.16.1]):

то оказывается

Выражение (1.32) определяет волновое сопротивление в общем случае несимметричной двухпроводной линии: провода 1, 2 разного сечения и расположены на разной высоте относительно общей про­ водящей поверхности, как показано, например, на рис. 1.25, где ус-

ловно отмечены характеристические сопротивления 2С\, 2с2 связан­ ных линий 1, 2 для синфазных волн напряжения и электростатичес­ кое характеристическое сопротивление связи линий IV\2, определя­ ющее связь проводов 1, 2 по напряжению. Как видно из рис. 1.25, выражение (1.32) определяет характери­

Если выполнить /?н = 20>то, учитывая 1Кн= / ]0, получаем:

что полностью совпадает с (1.4) для согласованного отрезка линии (ТЛ 1:1).

Напряжения на концах нагрузки К„ согласно (1.29), (1.30):

Сдвиг по фазе между С/ю и 1/20 меньше 90°.

Как видно, напряжения Ию и Х]2о не находятся в противофазе и не равны по величине. Следовательно, несмотря на частотную неза­ висимость величин выходного тока и выходного напряжения (1.34), на равенство величин и противофазность токов на концах нагрузки,

устройство по схеме рис. 1.24 не может считаться электрически симметрирующим устройством.

Обратим внимание еще на одну особенность устройства по схеме рис. 1.24. Если реализовать его на отрезке коаксиальной линии с присоединением источника сигнала Е к центральному проводни­ ку, то оказывается ?У2о= 0. Действительно, при использовании коак­ сиальной линии и указанном присоединении источника сигнала Е:

2оп = 2с12с2/(2с1 + 2с2 + Ж12) = 2с2

и согласно (1.29) 6/20 = 0. Устройство оказывается элеюрически аб­ солютно несимметричным: 11^ 1^2о= °°-

Физически такой результат объясняется тем, что энергия, а со­ ответственно и все возбуждаемые волны напряжения и тока, рас­ пространяются во внутреннем пространстве коаксиальной линии и не выходят наружу. В случае, например, фазоинвертирующего ТЛ с использованием коаксиальной линии при подключении источника сигнала Е к центральному проводнику (рис. 1.9) возбуждаемые в коаксиальной линии волны выходят наружу и через общую про­ водящую поверхность (землю) возвращаются во внутреннее про­ странство через нагрузку. Аналогичная ситуация имеет место и в устройстве по схеме рис. 1.20 в случае реализации его с использо­ ванием отрезка коаксиальной линии (рис. 1.26), где возбуждаемые волны напряжения и тока также выходят наружу в месте присоеди­ нения нагрузки и через общую проводящую поверхность (землю), принимающую непосредственное участие в процессе распростране­ ния энергии от источника к нагрузке, возвращаются через нагрузку во внутреннее пространство коаксиальной линии.

Таким образом, наличие или отсутствие соединения средней точки нагрузки с землею (корпусом) может существенно сказаться на характеристиках предполагаемого симметрирующего устройст­ ва, в чем мы смогли убедиться на примере схем рис. 1.20 и 1.24.

Рассмотрим, как изменяются характеристики устройства (рис. 1.20) при подключении дополнительной линии по схеме рис. 1.21. Для анализа представим схему рис. 1.21, как показано на рис. 1.27. Линия 3 не имеет электромагнитной связи с линиями 1, 2; длина ее равна I - длине линий 1, 2, а волновое сопротивление 2ооНаличие электромагнитной связи между проводами 1, 2 отображено на рис. 1.27 овалом, охватывающим эти провода.

Для схемы рис. 1.27 граничные условия 11и=Е\ 1]гР=Е\ \]2,= 0; С/ю=/|оЛн/2; 1/20 = (/20 + /зо)Д/2; С/30 = 1/20. Токи и напряжения

впроводах 1, 2 описываются уравнениями связанных линий ( 1.8),

ав проводе 3 - уравнениями одиночной линии.

Сучетом граничных условий имеем:

Из условия 1/2о= (/20+ /30) К/2 находим: /30= (21/20/Яи) - /20.

Подставляя /30 в (1.35в), получаем

1/20 = ЯЛ„/[с05 (ВД, +у-220 0 РО] +До^оо ЛнСё р а д , +/2 2 0ОЩРО-

Из (1.356), учитывая Ц2о, имеем

_____________ +/ '^00^022 *§ Р^]_____________

+/'2 Л и[200(2о11+ ^ 022) +(^011^022 ~ ^012)] «в э«}'

Обратим внимание, что при 200 = оо приведенные выше вы­ ражения переходят в соответствующие выражения для схемы рис. 1.20.

Нетрудно видеть, что описывающие устройство на рис. 1.27 выражения для токов и напряжений получаются сложнее, чем для устройства рис. 1.20, и не наблюдается улучшения симметрирую­ щих свойств.

Такого результата следовало ожидать. Если обратиться к схеме рис. 1.27, то сразу привлекает внимание то обстоятельство, что ис­ точник сигнала Е оказывается подключенным через провода 1, 3 одинаковой длины к противоположным концам нагрузки. А это ни­ как не может способствовать созданию противофазных напряжений на концах нагрузки. Кроме того, в отличие от схемы рис. 1.20 в схеме рис. 1.27 оказывается дополнительная нагрузка на источник сигнала Е короткозамкнутым отрезком линии 2 (при (3^ —> 0 про­ исходит короткое замыкание источника сигнала). Отмеченные осо­ бенности сохраняются при рассматриваемом подключении дополнительной линии 3 и в случае отсоединения средней точки от земли (корпуса) устройства.

Таким образом, указание на улучшение симметрирующих свойств при подключении дополнительной линии (проводника) по схемам рис. 1.21, 1.22 не может считаться достоверным.

Посмотрим, как изменяются характеристики устройства рис. 1.20 при подключении дополнительной линии по схеме рис. 1.23.

Доя анализа представим схему рис. 1.23, как показано на рис. 1.28 для случая соединения средней точки у нагрузки с землею (корпу­ сом) устройства.

Напряжение 11\о можно определить как падение напряжения от тока До на сопротивлении параллельного соединения Ян!2 и корот­ козамкнутого отрезка линии 3 с волновым сопротивлением 2оо и длиной I:

Напряжение 1/го = /20Ян/2.

На основании уравнения (1.8г)

1?ге = 0 = (ДоЛн/2) со5 +Д у^т зш Р^+_/7,020,2 зт рД

откуда

Соотношение между токами /2о, /ю точно такое же, как и в схе­ ме рис. 1.20, так как на участке связанных линий 1, 2 ничего не из­ менилось. Другое дело, что теперь токи Д0, До будут иными по величине. Более того, если в схеме рис. 1.20 напряжение С/ю оп­ ределялось как падение напряжения от тока До на Ян/2, то в схеме рис. 1.28 падение напряжения 11\0 на сопротивлении Я„/2 определя­ ется разностным током (До-До).

Напряжение

^20 = До^н/2 = -у'До 2о12 Я„ Р^ / (Яи+у 22022 РО-