Согласование и конфигурация линии связи. Методы согласования линии передачи с нагрузкой

Тема 2 СОГЛАСОВАНИЕ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ СВЧ

Согласование линий передачи (фидеров) необходимо для подавления отраженных от нагрузки волн. Условием этого является равенство полного сопротивления нагрузки и волнового сопротивления линии передачи:

В случае полного согласования всех элементов фидера и питающего генератора в линии передачи отраженная волна отсутствует (режим бегущей волны), коэффициент отражения Г = 0, а коэффициент стоячей волны = 1.

Если нагрузка не согласована с линией передачи, возникает ряд нежелательных эффектов:

1) изменяется частота и мощность генератора из-за эффекта затягивания;

2) уменьшается мощность P Н, поступающая в нагрузку

4) уменьшается широкополосность передающего тракта;

5) увеличиваются активные потери в линии передачи.

Из сказанного выше ясно, что обеспечение согласования в линии передачи является одной из наиболее распространенных и важных задач техники СВЧ.

Для получения согласования произвольной нагрузки Z Н с линией передачи вблизи от нагрузки должен быть включен согласующий четырехполюсник (рис. 7). Назначением этого четырехполюсника является преобразование сопротивления Z 22 = Z Л в сопротивление Z 11 = Z Л, т.е. обеспечение в линии режима бегущей волны

Рисунок 7 - Пояснение принципа согласования с помощью четырехполюсника А

Существующие способы согласования линий передач можно разделить на три группы в зависимости от характера согласуемых сопротивлений.

Первый способ - согласование только активных составляющих полных сопротивлений, т.е. достижение условия (2) при выполненном (3).

Второй способ согласования сопротивлений применяют, если реактивные сопротивления нагрузки и линии передачи неравны, т.е. условие (3) не выполнено.

Третий способ согласования применяется в случае неравенства как активных, так и реактивных сопротивлений нагрузки и линии.

Выравнивание активных составляющих полных сопротивлений чаще всего необходимо при соединении линий передач с разными волновыми сопротивлениями. Основными типами высокочастотных согласующих устройств для согласования активных сопротивлений являются четвертьволновые трансформаторы сопротивлений, а также ступенчатые и плавные переходы.

Четвертьволновый трансформатор - это отрезок линии или волновода длиной четверть волны l в, имеющий определенное волновое сопротивление Z в = Z ВС и включаемый между согласуемыми активными сопротивлениями (элементами линии передачи) ZB 1 и ZB 2 . Волновое сопротивление трансформатора подбирается таким, чтобы создавались два равных по амплитуде сигнала на его входе и выходе. Поскольку длина трансформатора l в / 4, то отражения на входе компенсируются отражениями, возникающими на его выходе. Это возможно, если четвертьволновой трансформатор имеет сопротивление Z ВС , равное среднему геометрическому из согласуемых сопротивлений ZB 1 и ZB 2:

(6)

Четвертьволновый трансформатор является узкополосным согласующим устройством: при отклонении длины волны от среднего значения электрическая длина трансформатора уже не равна l в / 4. Волны в основном фидере становятся смешанными, а входное сопротивление самого фидера - комплексным.

Для решения задачи широкополосного согласования активных cопротивлений применяют ступенчатые переходы - трансформаторы, представляющие собой каскадное соединение четвертьволновых трансформаторов (ступенек) с различными волновыми сопротивлениями (рис. 8).

Рисунок 8 - Ступенчатые переходы прямоугольного волновода (а ) и коаксиальной линии (б )

Рассмотрим переход, составленный из двух последовательно включенных трансформаторов длиной l в / 4 каждый (рис. 9). Их волновые сопротивления подбирают с таким расчетом, чтобы от сечений a-a" и b-b" волны отражались с одинаковой амплитудой, а от сечения c-c" - c вдвое большей амплитудой. Поскольку волна от a-a" до b-b" и обратно проходит путь 2l 0 / 2=l 0 , то волны U" и U"" , отраженные от a-a" и b-b" совпадают по фазе и складываются. Вместе с тем они полностью компенсируются волной U", отраженной от сечения c-c" , так как путь от a-a" до c-c" и обратно равен 2l 0 / 4 = l 0 / 2, что соответствует сдвигу по фазе 180° .

Для улучшения характеристик ступенчатого перехода скачки волновых сопротивлений отдельных ступенек делаются различными в соответствии с определенными законами: чаще всего пропорционально коэффициентам бинома Ньютона (биномиальные переходы) или пропорционально полиномам Чебышева (чебышевские переходы).

Рисунок 9 - Согласование сопротивлений ступенчатых переходов

Сущность согласования при помощи плавных переходов заключается в постепенном изменении геометрических размеров линии передач. Плавные переходы как бы содержат бесконечно большое число ступенек n при длине каждой из них (D l ® 0). Называются такие плавные переходы экспоненциальным, линейным или чебышевским трансформатором в зависимости от того, по какому из этих законов изменяется волновое сопротивление линии по длине перехода.

Одним из наиболее распространенных устройств для сопряжения фидеров различных видов с преобразованием волны одного типа в другой является коаксиально-волноводный переход , примеры конструкций которого показаны на рис. 10. Они применяются для подключения к волноводным устройствам коаксиальных кабелей или других коаксиальных устройств, во вращающихся соединениях и т.д. Действие этих переходов основано на возбуждении отрезка волновода электрическим или магнитным излучателем, служащим элементом связи между коаксиальным и прямоугольными волноводами. При этом Т-волна в коаксиальном волноводе трансформируется в волну типа H 10 в прямоугольном волноводе.

В конструкциях переходов согласование осуществляют с помощью выбора места расположения и геометрических размеров возбуждающего устройства и с помощью согласующих элементов в виде короткозамкнутых настраиваемых (рис. 10, а ) или ненастраиваемых (рис. 10, б , в ) отрезков линий, ступенчатых переходов (рис. 10, г ) и др.

Рисунок 10 - Примеры конструкций коаксиально-волноводных переходов

Переходы одного типа волновода в другой, например прямоугольного в круглый, H-образный или др., осуществляются плавным изменением формы и размеров поперечного сечения, приводящим к постепенному изменению структуры электромагнитного поля.

Согласование реактивных составляющих полных сопротивлений достигается введением в линию компенсирующего реактивного сопротивления, равного по величине и противоположного по знаку реактивному сопротивлению нагрузки. Наиболее распространенными реактивными компенсирующими устройствами являются штыри, диафрагмы и шлейфы. Сопротивление каждого из них имеет индуктивный или емкостной характер.

Реактивный штырь представляет собой металлический, обычно медный стержень, помещенный в волновод (рис. 11). Штырь можно располагать или вблизи узкой стенки, или вводить его через среднюю часть широкой стенки. Эквивалентная схема штыря в волноводе без учета активных потерь представляет собой реактивную проводимость iB , шунтирующую линию с волновой проводимостью Y 0 .

Рисунок 11 - Волноводный реактивный штырь (а ) и его эквивалентная схема (б )

При малой глубине l < l в /4 преобладает емкостная составляющая B С , так как короткий металлический стержень, направленный вдоль линий электрического поля, увеличивает местное электрическое поле и действует как местная эквивалентная емкость.

При l = l в /4 имеет место резонанс последовательного типа (B C = B L ). Проводимость в этом случае обращается в бесконечность, что соответствует короткому замыканию, и волна в волноводе полностью отражается.

Наконец, при l > l в /4 преобладает индуктивная составляющая B L . Энергия поля такого штыря определяется протекающим по нему током, т.е. является энергией магнитного поля.

Для компенсации неоднородностей в волноводных передающих линиях, когда к ним не предъявляются требования большой широкополосности, применяются диафрагмы.

Волноводные диафрагмы представляют собой тонкие металлические пластины, частично перекрывающие волновод. Эквивалентная схема бесконечно тонкой диафрагмы представляет собой реактивную проводимость, шунтирующую линию передачи.

Пластины, cвободные края которых перпендикулярны линиям электрического поля, образуют емкостные диафрагмы (рис. 12 а).

Рисунок 12 - Диафрагмы в волноводе

Концентрация зарядов на краях такой диафрагмы приводит к накоплению энергии электрического поля, что аналогично действию конденсатора, шунтирующего линию передачи.

Индуктивные диафрагмы образованы пластинами, свободные края которых параллельны линиям электрического поля основного типа волны (рис. 12 б). Действие такой диафрагмы основано на концентрации магнитного поля, что эквивалентно индуктивности, шунтирующей линии передачи. Сочетание индуктивной и емкостной диафрагм позволяет осуществить резонансную диафрагму (резонансное окно), эквивалентная схема которой представляет собой параллельный колебательный контур (рис. 12 в).

Роль реактивности в волноводных линиях передачи может выполнять реактивный шлейф - короткозамкнутый или разомкнутый отрезки линий передач различной длины. Конструктивно короткозамкнутый реактивный шлейф представляет собой жесткое механическое соединение под углом 90° двух отрезков волноводных линий передачи, один из которых замкнут подвижным короткозамкнутым поршнем, обеспечивающим возможность получения переменных значений входной реактивности, а другой обеспечивает возможность включения шлейфов в СВЧ тракт.

При решении задачи согласования полных сопротивлений нагрузки и линии передачи используются указанные компенсирующие устройства, а также устройства, поглощающие отраженные волны, и трансформаторы полных сопротивлений.

Метод поглощения отраженной волны основан на включении перед согласуемым устройством поглощающего четырехполюсника, не вносящего дополнительных отражений - аттенюаторов и невзаимных ослабителей (ферритовых вентилей).

Пластинчатый диэлектрический трансформатор , конструкция которого приведена на рис. 13, состоит из волновода 1 прямоугольного сечения, где установлены две диэлектрические пластины 2 длиной l 1 ~ l" в /4 (где l" в - длина волны в волноводе, заполненном диэлектриком). С помощью стержней, проходящих через продольную щель в широкой стенке волновода, пластины можно перемещать относительно друг друга, меняя размер l 2 , и передвигать совместно в направлении z относительно волновода; если шайбы сдвинуть вместе, то участок волновода, заполненный диэлектриком, будет иметь длину l" в /2 и, следовательно, диэлектрик не возмущает линию, и трансформация сопротивлений при этом отсутствует.

Рисунок 13 - Схема пластинчатого диэлектрического трансформатора полных сопротивлений:

1 - волновод, 2- диэлектрические пластины.

Если же расстояние между пластинами сделать l" в /4, то такая система будет иметь максимальный КСВ, приблизительно равный квадрату относительной диэлектрической проницаемости e r . Перемещая пластины вдоль волновода, можно при этом получить любую фазу отраженной волны и, значит, скомпенсировать имеющиеся отражения волны в диапазоне, определяемом r mах .

Одношлейфовые и пластинчатые трансформаторы используются обычно на низком уровне мощности, так как наличие шлейфов или диэлектрических пластин уменьшает электрическую прочность этих устройств.

Пластинчатый трансформатор включается в волноводную линию между нагрузкой и генератором. Волна, распространяющаяся по волноводу, прежде чем достигнуть нагрузки проходит через кварцевые пластины с весьма малыми потерями. От каждой плоскости раздела между кварцем и воздухом происходит отражение волны.

Результирующий КСВ перед первой пластинкой определяется значением КСВ нагрузки и системы пластинок, а также расстоянием между нагрузкой и пластинками, которое определяет фазу каждой из отраженных волн. Если фазы волн, отраженных от нагрузки и системы пластинок, противоположны, а их КСВ равны, то до трансформатора в волноводе имеет место чисто бегущая волна, т.е. полное согласование сопротивления нагрузки с волноводом.

КСВ системы пластинок зависит от значения КСВ каждой из них и расстояния между ними. Поэтому с целью расширения диапазона согласуемых нагрузок величина КСВ, обусловленного одной пластиной, сделана наибольшей. Это достигнуто выбором ширины пластинки вдоль оси волновода, равной l" в /4 , где l" в - длина волны на участке волновода, заполненном кварцем. При этом общий КСВ пластинки равен квадрату КСВ одной из ее сторон. Изменяя расстояние между пластинками, можно регулировать величину КСВ всей системы от единицы до максимума, равного приблизительно квадрату КСВ каждой из пластинок. Передвигая всю систему пластинок вдоль волновода, подбирают такое их положение, при котором волна, отраженная от пластинок, окажется в противофазе с волной, отраженной от нагрузки.

Каждая пластинка представляет собой четвертьволновый трансформатор сопротивлений (рис. 14).

Рисунок 14 - К пояснению принципа действия пластинчатого диэлектрического трансформатора полных сопротивлений

Длина диэлектрической пластинки l 1 определяется по формуле:

(7)

где l в - длина волны в волноводе; e/e 0 = 3,8 - относительная диэлектрическая проницаемость кварца. Волновое сопротивление в месте расположения кварцевых пластинок Z тр меньше волнового сопротивления волновода на участках с воздушным заполнением Z 1 в раз. Если расстояние между пластиками l 2 = 0, то обе пластинки образуют сплошную полуволновую линию, имеющую в начале и в конце одинаковое по величине волновое сопротивление Z 1 . То же самое получается при l 2 = l в / 2. Наибольший коэффициент трансформации получается при l 2 = l в / 4.

Если волноводная линия согласована, то входное сопротивление трансформатора в сечении a-a" равно волновому сопротивлению волновода Z 1 . Так как все три участка согласующего устройства при l 2 = l в / 2 являются четвертьволновыми, то волновое сопротивление:

(или (e /e 0) 2 для обратного направления распространения волны).

Трансформатор с пластинками из кварца имеет максимальную величину коэффициента трансформации, равную 14,5. Такая его величина обычно является достаточной для согласования волновых сопротивлений, поскольку КСВ несогласованных волноводных линий крайне редко превышает значение 15.

Согласование нагрузок с линией передачи

Для обеспечения в линиях передачи режима бегущей волны применяются нагрузки. Нагрузки классифицируются на:

‑ согласованные;

‑ реактивные.

Согласованные нагрузки предназначены для поглощения мощности, передаваемой по линии передачи. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры и в виде меры согласования в измерительных устройствах СВЧ.

При включении согласующего элемента в линию должен обеспечиваться принцип согласования:

в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке . Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента.

При согласовании необходимо, чтобы сопротивление нагрузки удовлетворяло двум условиям:

1) Активная часть нагрузки должна равняться волновому сопротивлению линии:

2) Реактивная часть нагрузки должна равняться нулю:

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (1.1), то говорят, что линия согласована с нагрузкой .

Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели :

‑ увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

‑ увеличение электрической прочности линии;

‑ устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

Основной характеристикой согласованной нагрузки является модуль ее коэффициента отражения (или соответствующие значения КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. Технически возможно создание нагрузок с в относительной полосе частот 20-30 % и более. Ввиду малости требования к фазе коэффициента отражения от нагрузки не предъявляются и эта фаза может иметь любое значение в интервале 0…2 .

Наряду с КСВН для описания согласования линии передачи с генератором используются такие показатели, как

‑ коэффициент возвратных потерь

. (1.2а)

Иногда она выражается и с отрицательным значением, т.е.

; (1.2б)

‑ потери на рассогласование – рабочее затухание

(1.3а)

. (1.3б)

Согласование может быть выполнено в узкой или в широкой полосе частот.

Узкой принято считать полосу частот , составляющую единицы процентов от средней частоты . В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования . Типичный график зависимости КСВН тракта от частоты представлен на рисунке 1.2. Конкретное значение определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,1..2.

Рисунок 1.2 – Типичная зависимость КВСН тракта от частоты

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются :

‑ четвертьволновый трансформатор;

‑ последовательный шлейф;

‑ параллельный шлейф;

‑ два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Данные согласующие устройств используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.

Рассмотрим применение указанных выше согласующих устройств.

Четвертьволновый трансформатор – устройство, представляющее собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением , включенным в разрыв основной линии передачи.

Найдем место включения трансформатора в линию и его волновое сопротивление. В предыдущей лекции было показано, что принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:

где ‑ входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки , в месте подключения трансформатора , как показано на рисунке 1.3;

Рисунок 1.3 – Согласование линии с нагрузкой с помощью

четвертьволнового трансформатора

‑ входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении с подключенным к нему отрезком линии длиной , нагруженной сопротивлением нагрузки .

Условия согласования (1.1) требуют, чтобы , т.е. . Отсюда следует, что должно быть чисто действительной величиной: .

Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии , в которых входное сопротивление линии чисто активное. Такое наблюдается в сечениях, где напряжение достигает максимума или минимума:

. (1.5)

В максимумах напряжения . В связи с этим .

В минимумах напряжения , следовательно, .

На рисунке 1.4 представлены варианты исполнения четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной линий для двух рассмотренных случаев. Из анализа рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант . На рисунке 1.5 представлены эпюры напряжений в линии без согласующего устройства и согласующими четвертьволновыми трансформаторами и .

Рисунок 1.4 – Четвертьволновые трансформаторы:

а – на двухпроводной линии; б – на коаксиальном кабеле

Рисунок 1.5 – Эпюры напряжения в линии: а – с комплексной нагрузкой;

б – с комплексной нагрузкой и трансформатором ;

в – с комплексной нагрузкой и трансформатором

Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной с волновым сопротивлением W , который включается в разрыв одного из проводов линии, как показано на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Согласующий последовательный короткозамкнутый шлейф

Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию и длины шлейфа .

Найдем и из условия согласования линии в сечении . В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа включено последовательно с входным сопротивлением линии . Сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии:

; .

, , . (1.6)

Из анализа выражений (1.6) следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии . Длину шлейфа следует выбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа .

Недостаток – при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

Отражения в линии связи отсутствуют только в однородных линиях, т.е. в линиях, у которых все их параметры неизменны по ее длине. Простейшее согласование выполняется на уровне согласования сопротивлений. Оно состоит в том, что дополнительными резисторами включенными на входе и выходе линии изменяют выходное сопротивление передатчика и входное сопротивление приемника таким образом, чтобы они стали равны волновому (характеристическому) сопротивлению линии. Одно из широко распространенных представлений длинной линии (линии с распределенными параметрами) показано на рис.108.

Здесь L - индуктивность приведенная к единице длины линии, а С - емкость единицы длины линии, и - волновое сопротивление определяемое соотношением . В общем случае волновое сопротивление имеет комплексный характер, но при согласовании пользуются значением модуля волнового сопротивления, что приводит к погрешностям согласования. Поэтому добиться полного исключения явления отражения сигналов невозможно.

Рис. 108. Представление длинной линии.

Поскольку входные и выходные сопротивления активных элементов могут быть как больше, так и меньше волнового сопротивления линии то используют различные способы согласования - параллельное и последовательное.

Сущность согласования состоит в том, что необходимо подобрать параллельные или последовательные сопротивления, подключаемые к выходу передатчика и входу приемника, таким образом, чтобы выходное сопротивление передатчика и входное сопротивление приемника стали равны волновому сопротивлению линии.

Рис.109. Согласование на входе и выходе линии.

На рис.109 показано согласование линии связи на входе и выходе. Определение величин резисторов R1 и R2 можно выполнить на основе схемы замещения рис.110.

На схеме замещения источник (передатчик) сигнала представлен в виде источника напряжения Uout с выходным сопротивлением Rout, а приемник сигнала представлен входным сопротивлением Rin. как рассматривали ранее в примере при Rout<резистор R1= - Rout и Rin>резистор R2=.

Рис.110. Схема замещения линии связи.

При согласовании на выходе линии и использовании в качестве приемника триггера Шмитта рекомендуется схема согласования, показанная на рис.111.

Особенность работы данной схемы состоит в том, что делитель напряжения R1-R2 на входе передатчика предварительно формирует уровень напряжения, определяемый значениями резисторов R1,R2.

Соотношение между резисторами нужно выбирать исходя из требуемого уровня напряжения, а их общее значение определяется из .

При на входе линии можно выполнять только параллельное согласование в соответствии со схемой замещения рис.112 а.

Учитывая, что внутреннее сопротивление источника напряжения равно нулю переходим к схеме замещения рис.112б, используя которую получаем выражение для определения величины резистора R1

.

При таком согласовании обычно напряжение на входе приемника, при высоком напряжении на выходе передатчика, меньше входного напряжения переключения логического элемента.

В этом случае линия работать не будет. Для получения работоспособной линии связи целесообразно в качестве передатчика использовать устройства с малым внутренним сопротивлением или специальные схемы. Рассмотрим использование микросхемы 155ЛП7, иностранный аналог - SN75450В, в качестве передатчика линии связи. В состав микросхемы входят два элемента 2И-НЕ с одним объединенным входом и два транзистора n-p-n проводимости средней мощности. Простейшие схемы применения 155ЛП7 показаны на рис.113.

Рис.113. Использование микросхемы 155ЛП7.

Как видно из рисунка один из вариантов представляет собой эмиттерный повторитель, одно из важнейших свойств которого - это малое значение выходного сопротивления. Для согласования с линией сопротивление в цепи эмиттера берется равным волновому сопротивлению линии Re=Zl. При этом схемотехническом решении в линии получаем сигнал инверсный входному.

Для получения неинвертированного сигнала в линии можно использовать другую схему рис.. В этом случае транзистор используется в качестве насыщенного ключа с коллекторной нагрузкой равной волновому сопротивлению линии Rk=Zl. При большом коэффициенте насыщения транзистора возможно запаздывание сигнала в линии.

Линия называется идеально согласованной с нагрузкой , если в ней отсутствуют отраженные волны. Однако при передаче по цепи СВЧ сигналов, занимающих определенную полосу частот обеспечить идеальное согласование линии с нагрузкой во всей требуемой полосе частот практически невозможно. Поэтому при проектировании задают допустимый уровень рассогласования в требуемой полосе частот , Этот уровень определяют величиной Гдоп или КБВдоп так, чтобы при выполнялось соотношение или . Линии, в которых выполняются эти неравенства, называются согласованными с нагрузкой. Интервал частот Δf называют полосой согласования. Иногда говорят об относительной полосе согласования Δf отн=Δf / f 0, где f 0 = (f1+f2)/2.Эту величину можно вычислять в процентах: Δf отн %= Δf отн 100%.

Параметры Гдоп и КБВдоп зависят от назначения и условий работы линии. Например, в линии передачи, соединяющей радиовещательный длинноволновый передатчик с передающей антенной, стараются обеспечить симметричную относительно несущей частоты амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) коэффициента отражения в полосе Δf отн%=10% при КБВдоп≈0,8...0,9.. Нарушение этих требований приводит к недопустимым нелинейным искажениям передаваемого сигнала. В спутниковых системах связи, работающих в сантиметровом диапазоне волн, высокая степень согласования (КБВдоп≈0,95) необходима для обеспечения электромагнитной совместимости одновременно работающих стволов (каналов).

Рис. 3.14. Схема согласования произвольной нагрузки Z нс линией

Рассмотрим схему согласования произвольной нагрузки Z нс линией (рис. 3.14). Согласующее устройство должно устранить отраженную от нагрузки волну. Эту задачу можно решить двумя способами: либо поглотить отраженную волну в согласующем устройстве (при этом падающая волна должна проходить через устройство без заметного затухания), либо погасить (компенсировать) волну, отраженную от нагрузки, волной, отраженной от согласующего устройства. Во втором случае нужно, чтобы амплитуды волн напряжений, отраженных от нагрузки и от согласующего устройства, были равны, а их фазы отличались на π .Первый метод согласования основан на применении либо мостовых схем, либо невзаимных ферритовых устройств: вентилей или циркуляторов.

Отметим, что поглощение вентилем отраженной волны не зависит от характера нагрузки, вызвавшей эту волну. Поэтому создание вентилей и циркуляторов, работающих в широкой полосе частот, решает задачу широкополосного согласования произвольных нагрузок. Недостатком согласования с помощью вентилей и циркуляторов является более низкий КПД по сравнению с согласующими схемами, использующими второй метод согласования, что связано с тем, что мощность, переносимая отраженной волной, полностью рассеивается в вентиле. Согласующие устройства, основанные на методе компенсации, состоят из реактивных элементов и при соответствующем выполнении практически не вносят потерь. При этом отраженная от нагрузки волна не поглощается, а отражается согласующим устройством обратно к нагрузке, где переносимая ею мощность частично поступает в нагрузку, а частично опять отражается в сторону согласующего устройства. В результате подобных многократных отражений вся мощность, переносимая падающей волной по линии, поступает в нагрузку.

Различают согласующие схемы, обеспечивающие узкополосное и широкополосное согласование нагрузки с линией передачи.

Линия питания, показанная на рис. 2.31, соединяющая генератор с нагрузкой, служит для передачи возможно большей части мощности генератора Р г к приемнику, т. е. к нагрузке этой линии. Мощность, принятую нагрузкой, обозначим через Р 2 .

Значение мощности Р 2 зависит от ряда факторов, к рассмотрению которых мы и переходим.

1. В случае, когда Z 1 = Z 0 = Z 2 и в линии отсутствуют потери, мощность, выделяемая в нагрузке, P 2 = P 1 = P 0 .

2. В линии с потерями мощность Р 2 , выделяемая в нагрузке меньше мощности P 1 , поступающей на вход линии, на величину мощности потерь Р п в этой линии, т. е Р 2 =Р 1 - Р п .

3. В случае, когда выходное сопротивление генератора Z г не согласовано с входным сопротивлением линии Z 1 =U 1 /I 1 генератор отдает в линию только часть своей мощности Р г . Рассогласование сопротивлений может быть обусловлено неравенством активных сопротивлений R г не равно R 1 либо реактивных Х г ≠ - X 1 , а также обеими этими причинами, т. е. R г + iX г ≠ R 1 - iX 1 . Следствием этих причин является выделение мощности генератора на выходных элементах его схемы, т. е. на аноде выходной лампы и т. п. Как правило, равенство R г = R 1 выполняется путем трансформации выходного сопротивления генератора, осуществляемой в его выходном контуре. Для того чтобы выполнить условие Х г = -X 1 достаточно произвести расстройку выходного контура генератора относительно резонансной частоты, что, правда, несколько изменяет значение выходного сопротивления R г . Обычно передатчик имеет ограниченный диапазон изменения Z г . Для обычных схем передатчиков можно указать следующие пределы изменения его выходного сопротивления: $30\leqslant{R_г}\leqslant{100}\;Ом$, $-300\leqslant{X_г}\leqslant{300}\;Ом. Если входное сопротивление генератора Z г значительно отличается от входного сопротивления линии, то дополнительно применяют специальные устройства согласования. Эти устройства будут подробно рассмотрены позднее (см. § 3.4 ). Здесь отметим, что такие устройства обеспечивают широкополосное согласование, однако при этом вносят дополнительные потери примерно 0,5 ... 2 дБ. Поэтому, если мы хотим избежать дополнительных потерь, следует выбирать входное сопротивление линии Z 1 так, чтобы его значение лежало в пределах изменения выходного сопротивления генератора.

4. При рассогласовании входного сопротивления нагрузки Z 2 с волновым сопротивлением линии Z 0 в последней возникает помимо падающей волны U пад и отраженная волна U отр . Обе эти волны образуют в линии питания стоячую волну (см. рис. 2.41 ). В этой ситуации мощность Р 2 , передаваемая в нагрузку, будет определяться равенством Р 2 = Р пад - Р отр , где Р пад и Р отр - мощности падающей и отраженной волны соответственно.

Отраженная волна, возвращаясь к передатчику, уменьшает уровень мощности P г до величины Р 1 = Р г - Р отр . Отметим, что в линии без потерь Р 2 = Р 1 . Это равенство не зависит от степени согласования (или рассогласования) линии питания. Тогда если Z г ≠ Z 1 , то вновь возникает отражение. Если же Z г = Z 1 , то вся мощность генератора P г попадает в нагрузку, независимо от значения коэффициента стоячей волны. Вспомним, что входное сопротивление линии зависит от длины линии l , ее волнового сопротивления Z 0 и сопротивления нагрузки Z 2 . Его значение определяется по формуле (2.84 ). И, наконец, еще раз подчеркнем, что мощность отраженной волны Р о тр не является мощностью потерь как иногда об этом пишут в книгах для радиолюбителей.

5. В линиях с потерями как падающая волна мощности Р г , так и отраженная волна мощности Р отр при распространении вдоль линии претерпевают затухание (см. рис. 2.41б ). Если хотят при использовании такой линии, имеющей кроме того рассогласование, т. е. Z 2 ≠ Z 0 , получить в нагрузке (например, в антенне) прежний уровень мощности, то необходимо увеличить уровень P г на величину ΔР г =Р зат +Р рас , где Р зат - потери мощности на затухание, Р рас - потери мощности из-за рассогласования.

Дополнительные потери в линии зависят как от потерь линии на затухание, так и от значения коэффициента стоячей волны K стU в линии. При малых значениях $K_{стU}\leqslant{2}$ дополнительные потери весьма малы и лишь только при $K_{стU}\geqslant{4}$ они могут достичь уровня собственных потерь линии на затухание. Отсюда следует, что на практике в диапазоне КВ, где собственные потери линии незначительны (A < 1 дБ ), можно допустить большой уровень рассогласования выходного сопротивления передатчика с входным сопротивлением линии питания. Если рассогласование выхода передатчика с линией очень велико, то одной из возможных мер улучшения согласования является изменение длины линии питания. Позднее (см. § 3.1 ) более подробно рассмотрим линии питания с большим значением K стU , которые получили название резонансных.

6. Дополнительные потери в линию питания вносят отдельные элементы, служащие для улучшения согласования. Целесообразность их применения решают исходя из сравнения вносимых ими потерь на затухание и дополнительных потерь из-за рассогласования (при отсутствии элементов настройки линии).