Узкополосное и широкополосное согласование комплексных нагрузок с линией передачи

Цель работы: изучение методов узкополосного и широкополосного согласования сопротивления нагрузок с волновым сопротивлением линии передачи. Измерительная установка выполнена на основе коаксиального тракта с волновым сопротивлением 50 Ом.

Характеристики согласования устройств исследуются в полосе частот в дециметровом диапазоне волн с визуальным наблюдением на экране индикатора частотной зависимости уровня отраженного от нагрузки сигнала.

2.1. Описание методики измерений и измерительной установки

Тракт считается согласованным, если выполняются условия: КБВ=КСВ=1, r=0. Такой режим работы позволяет получить наилучшие энергетические характеристики тракта.

В лабораторной работе изучаются два отличающихся по постановке задачи способа согласования: узкополосное и широкополосное.

При узкополосном согласовании удовлетворяется требование волнового согласования на одной фиксированной частоте.

В случае широкополосного согласования задача может ставиться двояко при достижении:

- минимального уровня верхней границы КСВ в фиксированной непрерывной полосе частот;

- максимально возможной непрерывной полосе частот, в которой КСВ не превосходит некоторого заданного уровня.

Подобная двойственная постановка задач обусловлена тем, что при согласующем устройстве любой сложности уровень КСВ и полоса частот, в которой этот уровень может поддерживаться, ограничены частотным поведением реактивной части входного сопротивления нагрузки, и после некоторого предела полоса не может быть расширена без ухудшения КСВ и наоборот.

Характерные частотные зависимости КСВ при узкополосном и широкополосном согласовании показаны на рис. 2.1.

Решение задачи узкополосного согласования сводится к получению на входе согласующего устройства (сечение А-А на рис. 2.2) на некоторой частоте f₀ чисто активного единичного нормированного значения эквивалентного сопротивления (или проводимости):

, ,

где - волновое сопротивление согласуемого тракта.

Для удовлетворения этим требованиям в случае нагрузки с произвольной комплексной величиной входного сопротивления необходимо в согласующем устройстве иметь как минимум две независимые степени свободы.

В paбoтe изучаются следующие наиболее распространенные способы узкополосного согласования:

• параллельным шлейфом, размещенным на определенном расстоянии oт нагрузки (рис.2.2, а), степени свободы: рас-стояние от входа нагрузки до шлейфа – l₀; длина шлейфа – l_ш);

• четвертьволновым трансформатором (рис.2.2, б), степени свободы, расстояние от входа нагрузки до трансформатора – l₀, волновое сопротивление трансформатора – Z_Втр;

• двумя параллельными шлейфами, размещаемыми на фиксированном (обычно λ_в/8) расстоянии один от другого и на произвольном (с некоторыми ограничениями от нагрузки (рис.2.2, в, степени свободы l_ш1 и l_ш2). Здесь и далее λ_в -длина волны в волноводе для того участка тракта, о котором идет речь.

Способ узкополосного согласования нагрузки с помощью параллельного реактивного шлейфа наиболее распространен на практике. Шлейф подключается в том сечении, в котором активная часть проводимости равна волновой проводимости линии (рис. 2.2, а, сечение А-А). Проводимость шлейфа выбирается равной реактивной составляющей , эквивалентной проводимости линии в этом сечении с обратным знаком. Расчет одношлейфового согласующего устройства удобно производить с помощью круговой номограммы полных сопротивлений [1, с.46].

Рис. 2.2. Схемы согласования, используемые в работе

Методика согласования четвертьволновым трансформато-ром основана на свойстве преобразования сопротивлений четвертьволновым отрезком линии передачи. Соответствующее соотношение имеет вид

,

где Z_Втр - волновое сопротивление трансформатора.

Условие согласования означает, что Z_АА равняется Z_В0. Тогда из (2.2) следует, что сечение С-С должно быть выбрано так, чтобы сопротивление в этом сечении было чисто активным: (поскольку Z_В0, Z_Втр - действительные величины). Такими сечениями в линии являются сечения узла (Z_СС=КБВ Z_В0)и пучности (Z_СС = КСВ/Z_В0) распределения в линии, нагруженной на Z_н. Таким образом, Z_Втр/Z_В0= КБВ,если сечение С-С есть сечение узла, и Z_Втр/Z_В0= КСВ, если сечение С-С есть сечение пучности.

Методика узкополосного согласования с помощью двухшлейфового согласующего устройства (рис. 2.2, в, l₁ фиксировано, степени свободы – l_ш1 и l_ш2) более сложна и подробно описана в [2, с.38]. Здесь же отметим только то, что при неудачно выбранном расстоянии l₀ от нагрузки до согласующего устройства полное согласование может оказаться невозможным, в связи счем на практике подобное устройство делают трехшлейфовым с расстоянием около λ_в/8 между шлейфами. В этом случае центральный шлейф и один из боковых всегда позволяют согласовать любую нереактивную нагрузку. Неиспользуемый шлейф может быть выставлен длиной λ _в/4, при этом на частоте согласования его входное сопротивление бесконечно.

В случае широкополосного согласования зависимость КСВ, как правило, имеет в полосе согласования колебательный характер (рис. 2.1). В данной работе соответствующего эффекта можно достигнуть, если соединить каскадно два узкополосно согласующих устройства, например, два параллельных шлейфа (рис. 2.2, в, степени свободы – l₀, l_ш1, l_ш2и расстояние между шлейфами l₁) или параллельный шлейф и перестраиваемый четвертьволновый трансформатор (рис. 2.2, г, степени свободы – l₀, l_ш1, l₁). Для увеличения числа степеней свободы возможно использование двух перестраиваемых четвертьволновых трансформаторов и шлейфа (рис. 2.2, д, степени свободы – l₀, l_ш, l₁, l₂).

В лабораторной работе используются также характеристики устройства, называемого металлическим Т-изолятором. Т-изоля-тор представляет собой параллельный короткозамкнутый коаксиальный шлейф длиной λ _в/4, служащий для поддержания внутреннего проводника коаксиальной линии с воздушным заполнением. Конструкция такого изолятора показана на рис. 2.3, а. На центральной части шлейф не оказывает влияния на КСВ, однако полоса рабочих частот подобного изолятора достаточно узка из-за частотного изменения проводимости шлейфа.

Рис. 2.3. Металлический коаксиальный изолятор: а - узкополосный; б- широкополосный; λ ₀ -центральная частота настройки изолятора

Полосу рабочих частот удается значительно расширить, если использовать конструкцию, показанную на рис. 2.3, б. Здесь элементами, расширяющими полосу частот устройства, служат два четвертьволновых трансформатора пониженного волнового сопротивления, включенные до и после шлейфа. Принцип работы такого устройства описан в [1, с.52]. В исследуемом лабораторном макете для придания конструкции макета необходимой жесткости линия с широкополосным изолятором содержит два каскадно включенных изолятора.

Для построения схем согласования в лабораторной работе используются следующие устройства: параллельные короткозамкнутые шлейфы, подвижные четвертьволновые трансформаторы, трехшлейфовый трансформатор.

Параллельные коаксиальные короткозамкнутые шлейфы выполнены для удобства перестройки и наглядности на основе штатных измерительных линий, в которых измерительная головка, устанавливаемая на подвижной каретке, заменена короткозамкнутым шлейфом переменной длины с волновым сопротивлением Z_B=50 Ом. Шлейф можно отсоединить от линии, отвернув винт в обойме основания и выдвинув шлейф из обоймы до упора.

Четвертьволновые трансформаторы на частоту f₀=2,6 ГГц реализованы на основе 50-омной воздушной коаксиальной линии. Изменение волнового сопротивления осуществлено при помощи недвижной цилиндрической вставки из диэлектрика длиной λ_в/4 (λ_в- длина волны в диэлектрике). Через продольную щель во внешнем проводнике коаксиала выведен держатель, с помощью которого насадку можно перемещать вдоль линии.

Объектом согласования в работе служат коаксиальные нагрузки, имеющие комплексное входное сопротивление.

Измерительная установка построена с использованием автоматического измерителя КСВ типа Р2-52. Схема подключения прибора при измерении КСВ приведена на рис. 3.3, где под исследуемым устройством понимается согласуемая нагрузка вместе с согласующим устройством.

2.2. Домашнее задание

1. Изучить описание работы и указанные страницы учебника. Ознакомиться с описанием панорамного измерителя КСВ Р2-52.

2. Для указанных в табл. 2.1 значений нагрузки на частоте f=2,6 ГГц рассчитать параметры узкополосно согласующих устройств, построенных на основе:

а) параллельного шлейфа (определить l₀ и l_ш );

б) четвертьволнового трансформатора (определить l₀, Z_втр, Z_В0=50 Ом).

Таблица 2.1

2.3. Лабораторное задание

1. Уточните с преподавателем программу исследований.

2. Подготовьте прибор Р2-52 к измерениям, руководствуясь указаниями, приведенными в паспорте прибора.

3. Установите полосу качания СВЧ-генератора в пределах от 2,3 до 2,9 ГГц: метку частоты «Mг» выставить на частоту 2,6 ГГц.

4. Провести калибровку прибора Р2-52 для использования в режиме измерения КСВ. В качестве калибровочного режима используйте режим холостого хода.

5. Подключить к измерителю согласуемую нагрузку и измерить ее КСВ на частоте 2,6ГГц.

6. Подключить согласующее устройство в виде параллельного короткозамкнутого шлейфа, установив требуемое в соответствии с домашним расчетом длины элементов согласующего устройства (l₀ и l_ш).Расстояния l₀ и l_ш отсчитываются по шкалам согласующего устройства от цветных меток «начало отчета». В случае отсутствия полного согласования на частоте f₀ подстроить длины l₀ и l_шдо получения наименьшего КСВ на частоте согласования.

Для более точного определения значения КСВ необходимо по мере улучшения согласования переходить на поддиапазоны с большей точностью с большей чувствительностью. Если полоса согласования оказывается слишком узкой, то для удобства наблюдения кривой на экране можно уменьшить полосу качания частоты ручками «F_l, F₀» и «F₂, ΔF».При работе в режиме перестройки 0,08 с и резком изменении уровня КСВ на экране индикатора вследствии инерционности прибора могут наблюдаться искажения кривой согласования. Для устранения подобных искажений рекомендуется устанавливать переключатель «ВРЕМЯ ПЕРЕСТРОЙКИ» в положение 1с.

Зарисовать форму кривой частотного изменения КСВ при работе прибора в поддиапазоне, соответствующем максимально измеряемому значению КСВ=1,55. Измерить полосу согласования по уровню КСВ= 1,3.

Увеличивая расстояние между согласуемой нагрузкой и шлейфом при неизменной длине шлейфа, добиться вновь полного согласования. Измерить полосу согласования и сравнить с измеренной ранее.

7. Выбрать четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением, соответствующим домашнему расчету, включить его в тракт перед нагрузкой и провести ее согласование, изменяя положение в линии трансформирующей вставки. Измерить полосу согласования по уровню
KCB=1,3.

8. Провести узкополосное согласование нагрузки с помощью трёхшлейфового согласующего устройства. Замерить полосу согласования по уровню КСВ=1,3.

9. Собрать схему широкополосного согласующего устройства из элементов указанных преподавателем. Наблюдая за формой кривой согласования, настроить эти элементы так, чтобы ширина полосы согласования по уровню КСВ=1,3 была максимальной. Определить ширину полосы согласования по этому уровню и зарисовать форму кривой КСВ.

10. Установить максимально возможную полосу качания частоты. Подключить к измерителю четвертьволновый узкополосный изолятор, нагруженный на согласованную нагрузку. Зарисовать форму кривой на экране индикатора при работе прибора в диапазоне с максимальным значением КСВ=1,55. Проделать тоже самое, включив широкополосный изолятор. Определить полосу согласования по уровню 1,1 в обоих случаях.

11. Выключить установку.

2.4. Указания к составлению отчета

Отчет должен содержать: результаты домашнего расчета; экспериментальные зависимости КСВ от частоты для всех измерений, их анализ, расчет относительной полосы согласования по уровню КСВ=1,3.

Контрольные вопросы

1. Какие выгоды дает согласование нагрузки в линии, работающей в режиме передачи мощности?

2. Сформулируйте постановку задач узкополосного и широкополосного согласования.

3. Как, зная коэффициент отражения на входе двухполюсника, рассчитать его сопротивление.

4. Определение сопротивления линии в сечение узла (пучности) напряжения.

5. Как рассчитать проводимость (сопротивление) короткозамкнутого шлейфа заданной длины с помощью круговой номограммы?

6. Как рассчитать параметры узкополосного согласующее-гося устройства на основе параллельного (последовательного) шлейфа, четвертьволнового трансформатора, двухшлейфового согласующего устройства?

7. Как изменится частотная зависимость КСВ при увеличении расстояния от нагрузки до согласующегося устройства на целое число полуволн?

8. Предложите конструктивное выполнение параллельного, последовательного шлейфа и трансформатора для двухпроводной, коаксиальной, полосковой и волноводной линии передач.

9. Какие ограничения существуют на полосу согласования и допустимый уровень КБВ при согласовании частотно-независимой активной нагрузки, содержащей реактивные элементы?

10. Каково назначение Т-изолятора в коаксиальной линии? Поясните трансформацию сопротивлений в широкополосном изоляторе на частотах согласования больше и меньше центральной.

11. Каким образом можно измерить значение КСВ с помощью направленного ответвителя?

12. Как влияет на работу коаксиальной линии узкая продольная щель, прорезанная в наружном проводнике?

Список рекомендуемой литературы

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Д.М. Сазонов. - М.: Высш. шк., 1988. - С. 36-41, 51-53, 144-159.

2. Сазонов Д.М. Устойства СВЧ / Д.М. Сазонов, А.Н. Грудин, Б.А. Мишустин. - М.: Высш.шк., 1981. - С. 38-39.