Основные элементы и узлы линий передачи. Симметрирующие устройства

1. Проблема симметрирования возникает при необходимости подключения устройств с симметричными выходными клеммами к устройствам с несимметричными входными клеммами, или наоборот. Напомним, что симметричным называется двухполюсный вход или выход многополюсника, напряжения на клеммах которого по отношению к телу нулевого потенциала (в дальнейшем - экрану) равны по величине и обратны по знаку. Таким образом, проблема симметрирования относится главным образом к устройствам, в которых используются электромагнитные волны типа ТЕМ, так как только для этих волн понятие напряжения может иметь смысл. В частности, двухпроводная линия с волной типа ТЕМ называется симметричной, если в каждом ее сечении напряжения проводов по отношению к экрану равны по величине и противоположны по знаку. При этом токи в проводах линии в каждом сечении также равны по величине и противоположно направлены.

Рис. 18.6. Несимметричное питание симметричного вибратора.

Непосредственное соединение симметричного и несимметричного устройств, как правило, недопустимо, ибо ведет к различным нарушениям в работе радиолинии. Например, непосредственное подключение к симметричному полуволновому вибратору коаксиального кабеля, как показано на рис 18.6, приводит к несимметричному распределению тока и заряда на вибраторе, к изменению его входного сопротивления (вибратор расстраивается), а также к появлению тока I_ф на наружной оболочке кабеля, который представляет собой разность противофазных токов, наведенных на оболочке кабеля полями от неодинаково возбужденных плеч вибратора.

Электромагнитное поле, излученное током Iф, искажает диаграмму направленности антенны, снижая ее КНД и к.п.д. в режиме передачи и уменьшая помехозащищенность радиолинии в режиме приема. Эти нежелательные последствия непосредственного соединения несимметричного кабеля с симметричной антенной называются антенным эффектом фидера. Антенный эффект возникает и в симметричной двухпроводной линии, когда она непосредственно подключается к несимметричному устройству или же несимметрично расположена относительно окружающих предметов. При этом токи в проводах линии будут разными, возникает разностный ток, который интенсивно излучает.

2. Симметрирующее устройство представляет собой четырехполюсник (рис. 18.7) с одной парой несимметричных и одной парой симметричных клемм. В дальнейшем будем рассматривать симметрирующие устройства с несимметричными входными и симметричными выходными клеммами.

Симметрирующее устройство обеспечивает получение на выходных клеммах равных и противофазных напряжений по отношению к экрану (в том числе и по отношению к экрану коаксиального кабеля - его наружной оболочке). Если теперь к симметричному выходу подключить нагрузку (антенну, линию передачи), имеющую электрическую симметрию относительно экрана, то токи в экране наводиться не будут, так как симметрично расположенные элементы этих нагрузок наведут на симметрично расположенных участках экрана равные по величине и противоположно направленные токи.

3. Симметрирующие устройства в виде элементов с сосредоточенными реактивностями применяются там, где сосредоточенные реактивности (катушки, конденсаторы, трансформаторы и т.п.) физически реализуемы, т.е. в диапазонах от длинных волн до дециметровых.

Рис. 18.7. Общая схема симметрирующего устройства.

Простейшим симметрирующим устройством рассматриваемого типа является симметрирующий трансформатор, схема которого показана на рис. 18.8,а. На этом же рисунке показаны эпюры напряжений по виткам первичной и вторичной обмоток. Между обмотками трансформатора прокладывается электростатический экран, который представляет собой незамкнутый виток фольги или однослойную обмотал, соединяемую одним концом с заземленной клеммой. Этот экран устраняет непосредственную емкостную связь между первичной и вторичной обмоткой, за счет чего витки вторичной обмотки, симметрично расположенные относительно ее середины, имеют одинаковую емкость по отношению к экрану.

На рис. 18.8,6 показано симметрирующее устройство, построенное на основе одиночного Т-звена с индуктивной настройкой. Из теории четырехполюсников известно, что если резонансная частота в раз больше рабочей частоты, то напряжения на входе и выходе Т-звена (при отсутствии потерь в катушке и конденсаторах) равны по величине и обратны по знаку. Таким образом, клеммы А и Б симметричны относительно экрана.

Если w L>> , то U_АБ» 2U_вх, и это симметрирующее устройство трансформирует сопротивление нагрузки ко входным клеммам в отношении 1:4. На аналогичном принципе работают и многозвенные симметрирующие устройства, которые имеют расширенную полосу пропускания по сравнению с однозвенными.

Однозвенные и многозвенные симметрирующие устройства имеют небольшие потери и поэтому широко применяются в передающих устройствах в диапазонах от ДВ до ДЦВ.

Рис. 18.8. Симметрирующие устройства на элементах с сосредоточенными параметрами

4. Симметрирующие устройства, состоящие из отрезков коаксиальных линий, применяются в метровом и дециметровом диапазонах волн. Наиболее распространенные конструкции этою типа и их эквивалентные схемы показаны на рис. 18.9.

В линиях с гибкими коаксиальными кабелями широко применяется так называемое “U-колено”, показанное на рис. 18.9,а. В этом симметрирующем устройстве центральный провод питающего кабеля непосредственно подсоединяется к одной клемме симметричной нагрузки; к другой клемме напряжение подводится через отрезок коаксиального кабеля длиной L /2, где L =l /x - длина волны в кабеле.

Напряжения на клеммах 1 и 2 по отношению к экрану оказываются противофазными и равными по амплитуде, если пренебречь потерями в полуволновом отрезке кабеля. Из приведенной на рисунке эквивалентной схемы видно, что входное сопротивление симметрирующего устройства , так как полуволновый отрезок линии не трансформирует сопротивлений, и сопротивление оказывается включенным параллельно входным клеммам. Трансформация сопротивлений в отношении 1:4 оказывается полезной при питании петлевого вибратора, имеющего входное сопротивление около 300 Ом, коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом.

U-колено является узкополосным устройством, так как при изменении частоты длина колена становится отличной от L /2 и противофазность напряжений на выходных клеммах нарушается.

На рис. 18.9,б показано симметрирующее устройство запирающего типа "четвертьволновый стакан". В этом устройстве стакан и наружная оболочка коаксиального кабеля образуют замкнутую на конце коаксиальную линию. Если ее длина l _ш=l /4, то входное сопротивление очень велико, высокочастотные токи не могут затекать на внешнюю поверхность наружной оболочки коаксиального кабеля и она оказывается изолированной от экрана. При этом токи через клеммы 1 и 2 нагрузки будут одинаковыми. Если пренебречь потерями, то входное сопротивление короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии (шлейфа) равно

.

Оно быстро изменяется с частотой, поэтому "четвертьволновый стакан" является узкополосным симметрирующим устройством. Реактивность шлейфа иногда используется для компенсации реактивной составляющей сопротивления нагрузки.

Рис. 18.9. Симметрирующие устройства, состоящие из отрезков коаксиальных линии.

Симметрирующее устройство, сохраняющее симметрию в широкой полосе частот, образуется подключением к центральному проводу кабеля короткозамкнутого шлейфа, точно такого, как шлейф у наружной оболочки кабеля.

Рис. 18.10. Симметрирующая при- Рис. 18.11. Симметрирующие пристав-
ставка кольцевого типа. ки из двухпроводных линии.

5. Симметрирующие приставки позволяют достаточно простыми средствами обеспечить симметрирование в метровом и дециметровом диапазонах волн. Принцип действия этих устройств поясним на примере кольцевой симметрирующей приставки, изображенной на рис. 18.10.

Наружная оболочка коаксиального кабеля и дополнительная трубка одинакового с ней диаметра образуют кольцо, разрезанное так, что длины полуколец, образованных кабелем и приставкой, точно равны. В разрезе кольца центральная жила кабеля соединена с приставкой. Симметричная нагрузка подключается к точкам 1 и 2 в разрезе наружной части кольца.

Ток, выходящий с внутренней поверхности наружной оболочки (экрана) коаксиального кабеля I_{э в точке} 1 разветвляется на ток I_н1 идущий в нагрузку, и на ток I₁, текущий но наружной поверхности экрана, причем I_э=I_н1+I₁. Ток во внутренней жиле коаксиального кабеля I_{вн в точке 2 складывается из тока} I_н2, вытекающего из нагрузки, и тока I₂ с наружной поверхности приставки, т.е. I_вн=I_н2+I₂. Как известно, в любом сечении коаксиального кабеля токи в центральном проводе и на внутренней поверхности экрана равны: I_вн=I_э. Отсюда

I_н1+I₁ = I_н2+I₂.

Токи I₁ и I₂ равны между собой благодаря геометрической симметрия кольца и подключаемой нагрузки. При этом из последнего равенства следует, что I_н1=I_н2, т.е. ток, входящий в нагрузку, и ток, выходящий из нее, равны. Таким образом, показано, что кольцевая симметрирующая приставка обеспечивает симметрирование независимо от длины плеч кольца, т.е. имеет по симметрирующему действию широкую полосу частот.

Рис. 18.12. Щелевые симметрирующие устройства.

Входное сопротивление приставки в точках 1-2, если пренебречь потерями в металле, чисто реактивное и приближенно равно входному сопротивлению завороченной двухпроводной линии длиной, равной длине полукольца. Это реактивное сопротивление сильно изменяется при изменении частоты. Если длина полукольца примерно равна l /4, то входное сопротивление приставки очень велико и мало влияет на входное сопротивление нагрузки.

Практически симметрирующие приставки выполняются в виде прямых стержней (рис. 18.11), которые вместе с верхней частью наружной оболочки кабеля образуют короткозамкнутый шлейф. Если провода этого шлейфа расположены симметрично но отношению к окружающим предметам и подключаемой нагрузке, то его симметрирующее действие будет таким же, как у рассмотренного выше кольца.

Симметрия шлейфа может нарушиться, если его провода окажутся расположенными не симметрично относительно окружающих предметов, что весьма вероятно при размещении симметрирующего устройства, к примеру, на борту самолета. Для устранения влияния окружающих предметов симметрирующий шлейф помещают в экранирующий металлический стакан (рис. 18.11), который снаружи может быть присоединен к окружающим металлическим предметам ("заземлен"").

6. Щелевые симметрирующие устройства применяются в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн для питания полуволновых вибраторов с помощью жестких коаксиальных линий. Эскизы этих устройств показаны на рис. 18.12.

Как известно, продольные щели в наружной оболочке коаксиального кабеля не пересекаются линиями поверхностного тока и потому не возбуждаются. Для возбуждения продольных щелей в симметрирующих устройствах наружный и внутренний провода коаксиальной линии в области щели закорачиваются перемычкой П. При этом в кабеле возбуждается коаксиально-волноводная волна типа Н₁₁. Эта волна имеет продольную составляющую магнитного поля, которая создает на внутренней поверхности наружной оболочки кабеля поперечные токи, возбуждающие щель. Волна типа Н₁₁ быстро затухает при удалении от перемычки, так как диаметр кабеля выбирается меньше критического для этого типа волны. Если прорезать две продольные щели симметрично, то напряжения в щелях будут синфазными и одинаково направленными в пространстве (рис 18.12,б). При этом две половины разрезанной щелями наружной оболочки кабеля образуют двухпроводную линию.

На рис. 18.12,а доказано симметрирующее устройство с четвертьволновыми щелями. Его свойства такие же, как у симметрирующей приставки (см. рис. 18.11).

Симметрирующее устройство с полуволновыми щелями (рис. 18.12,б) получается из устройства с четвертьволновыми щелями. Такой отрезок кабеля имеет большое сопротивление как по основной волне в кабеле, так и по волне в двухпроводной линии и поэтому не нарушает симметрии возбуждения вибратора. Устройство с полуволновыми щелями более диапазонное, чем с четвертьволновыми. У него отсутствует излучение из открытого конца коаксиального кабеля, искажающее ДН вибратора. Это устройство имеет также ряд конструктивных преимуществ. Согласование питающего кабеля с вибратором производится подбором места включения короткозамыкающей перемычки.

Рис. 18.13. Симметрирующие устройства, построенные на основе плавных переходов.

Наружную оболочку кабеля щелевых симметрирующих устройств можно "заземлять" слева и справа от щелей. В целях устранения непосредственного излучения щелей щелевые симметрирующие устройства часто помещают в экран, в котором делают два отверстия, через которые выводят провода, подключаемые к нагрузке.

7. Симметрирующие устройства, построенные на основе плавных переходов, имеют ряд преимуществ по сравнению с рассмотренными выше устройствами, особенно по ширине полосы частот, в которой сохраняется симметрирующее действие и согласование с нагрузкой. Принципиальные конструктивные схемы этих устройств поясняются рис. 18.13. В устройстве с экранирующим диском (рис. 18.13,а) при диаметре диска в одну длину волны и более устраняется затекание токов на наружную оболочку коаксиального кабеля, так как электромагнитное поле, возбуждаемое выведенным наружу центральным проводом, почти полностью перехватывается диском. Плавный переход от диска к одному из проводов двухпроводной линии улучшает согласование и позволяет получить симметричное возбуждение двухпроводной линии при несколько меньшем диаметре диска, чем в случае прямого подсоединения провода к диску.

В устройстве, изображенном на рис. 18.13,б, переход от несимметричной волны ТЕМ в коаксиальном кабеле к симметричной волне ТЕМ в двухпроводной линии осуществляется косым срезом наружной оболочки коаксиального кабеля. Если длина среза составляет длину волны и более, то затекания токов на наружную поверхность кабеля практически не наблюдается.

Симметрирующие устройства, построенные на основе плавных переходов, находят применение в сантиметровом и дециметровом диапазонах, где их геометрические размеры, примерно равные длине волны, могут считаться приемлемыми.