Файл: Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ..pdf

Рис. 31. Разрешающая способность по дальности

О т р а ж е н н ы е им пульсы

Рис. 32. Разрешающая способность по направ­ лению

Ррс.. 33. Разрешающая способ­ ность по углу места

42

Г л а в а 3

ЦЕПИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

§1. Понятие о колебательных контурах с сосредоточенными

ираспределенными параметрами

Вгл. 1 были рассмотрены контуры с сосредоточенными пара­ метрами, которые хорошо работают на частотах до сотен мега­ герц. При переходе к сверхвысоким частотам их работа нару­ шается и использование их становится невозможным. В чем же причина нарушения работы контуров на сверхвысоких частотах?

Как уже отмечалось, при прохождении переменного тока по электрической цепи вокруг проводов образуется переменное маг­ нитное поле, индуктирующее в них э. д. с. самоиндукции.

Чем выше частота тока, тем э. д. с. самоиндукции в проводах больше, поэтому любая цепь, как и катушка индуктивности, обладает некоторой индуктивностью. Так как такая индуктив­ ность распределена по всей длине цепи, то она получила назва­ ние распределенной (рис. 34).

Распределенная индуктивность проводов очень мала и изме­ ряется десятыми долями микрогенрн на 1 м провода в зависи­ мости от формы его сечения.

Помимо распределенной индуктивности всякая цепь обла­ дает и распределенной емкостью. Так, если проводник с током изогнут петлей (рис. 34, а), то вследствие разности потенциалов между отдельными участками провода между ними образуется слабое электрическое поле. В этом случае противоположные участки провода будут вести себя, как обкладки конденсатора.

Если петлю провода выпрямить (рис. 34,6), расстояние ме­ жду участками провода станет еще больше и распределенная емкость уменьшится.

Рассмотрим влияние распределенных индуктивностей и ем­ костей на работу колебательного контура, представленного на

рис. 35.

Из рисунка видно, что между витками катушки и проводами имеется распределенная емкость С0, а сами соединительные про­ вода представляют собой распределенную индуктивность L0, ко­

44

торая увеличивает индуктивность катушки. Распределенная ем­ кость, будучи включенной параллельно основному конденса­ тору С, увеличивает емкость контура. Таким образом увеличи­ ваются параметры контура L и С, что приводит к уменьшению его собственной частоты.

Рис. 34. Эквивалентная схема проводника с распре­ деленными параметрами

На частотах до десятков мегагерц, когда параметры контура еще остаются достаточно большими, влияние распределенных параметров незначительно. Но при переходе к сверхвысоким частотам, когда уменьшаются индуктивность и емкость контура, влияние распределенных индуктивности и емкости существенно

Рис. 35. Эквивалентная схема кон­ тура с распределенными параметрами

возрастает, так как параметры контура L и С становятся соиз­ меримыми с распределенными индуктивностями L0 и емкостя­ ми С0. Дальнейшее уменьшение параметров контура для полу­ чения более высокой собственной частоты его колебаний уже не имеет смысла, так как при этом она будет определяться только величиной распределенных параметров L0 и Со. уменьшить ко­ торые невозможно.

45

Таким образом, распределенные параметры контуров огра­ ничивают собственную частоту, а следовательно, и применение контуров с сосредоточенными параметрами. Поэтому контуры с сосредоточенными параметрами применяются в пределах ниж­ ней части метрового диапазона. Для работы на более высоких частотах используются контуры с распределенными индуктив­ ностями, называемые контурами с рассредоточенными парамет­ рами.

§ 2. Длинная линия

Линия называется длинной, если ее длина сравнима с дли­ ной волны генератора или превышает ее. Длинные линии, соеди­ няющие антенны с передатчиками или приемниками, называ­ ются фидерами. В радиотехнике длинные линии используются для передачи электромагнитных волн, а также в качестве ко­ лебательных контуров, реактивных сопротивлений, опорных изо­ ляторов, фильтров, трансформаторов сопротивлений н т. д.

эффекта, под которым понимают излучение или прием линией электромагнитных волн.

Конструкция длинных линий определяется указанным требо­ ванием. Обычно линии делаются в виде симметричных двухпро­

Простейшая длинная линия состоит из двух одинаковых, близко расположенных параллельных проводов (рис. 36, б), об­ разующих электрическую цепь с распределенными по всей ее длине индуктивностью, сопротивлением и емкостью. Разбив условно линию на элементарные (единичные) участки и обозна­ чив соответственно индуктивность, емкость и сопротивление этих участков через L\, С\, Ri, получим эквивалентную электрическую схему длинной линии (рис. 37).

Если ко входу такой линии присоединить генератор перемен­ ного тока, имеющий напряжение «о, то в цепи возникнет ток / j, который, протекая через емкость С\ участка линии, создает на этой емкости падение напряжения. Емкость С] входит также в состав следующей ячейки, поэтому возникшее на ней перемен­ ное напряжение вызовет появление переменного тока в следую­ щей ячейке и т. д. Вокруг проводов с током возникает перемен­ ное магнитное поле, а между ними — электрическое поле (рис. Зв). Эти поля изменяются так, как изменяются ток и нап­ ряжение линии.

46

Рис. 37. Эквивалентная схема длинной линии

Рис. 38. Электромагнитное поле вокруг проводов с током:

а — коаксиальный кабель; б — двухпроводная линия

Таким образом, при подключении генератора в длинной ли­ нии происходит процесс распространения вдоль нее переменного тока и напряжения, а также связанных с ними полей, т. е. пере­ нос электромагнитной энергии. Этот процесс, имеющий волно­

ток совпадают по фазе. Это в свою очередь означает, что линия с бегущими волнами представляет для генератора чисто актив­ ную нагрузку.

Бегущая волна может возникать только в линиях, если они имеют бесконечно большую длину или если от конца линий нет отражения волн.

Бегущая волна распространяется в линиях с некоторой ко­ нечной, хотя и очень большой скоростью; так, в воздушных длинных линиях (рис. 36,а) скорость распространения волны приблизительно равна скорости света в пустоте, т. е. 300 000 км/с.

Линия оказывает бегущей по ней волне сопротивление р,

называемое волновым сопротивлением.

Волновое сопротивление представляет собой предельное ак­ тивное сопротивление линии без потерь, длина которой стре­ мится к бесконечности. Определяется оно как отношение напря­ жения к току бегущей волны и зависит от параметров линии L\ и Сь

где Li — индуктивность единицы длины линии (погонная индук­

время одного периода колебания генератора, называется дли­ ной волны. Длина волны зависит от скорости распространения волны вдоль линии X = vT, определяемой параметрами линии:

Выражения (55) и (56) соответствуют так называемой иде­ альной линии (линии без потерь). Хотя такой линии и не су­ ществует, иногда реальную линию рассматривают как идеаль­ ную, что упрощает изучение длинных линий. Бегущая волна напряжения и тока в такой линии представлена на рис. 39, а.

Бегущие волны в линиях с потерями отличаются от бегущих волн в линии без потерь тем, что амплитуды напряжения и тока убывают в ней по экспоненциальному закону (рис. 39,6). Это

48

объясняется тем, что часть энергии бегущих волн расходуется на активном сопротивлении проводов и в диэлектрике; кроме того, неэкранированные линии излучают электромагнитную энергию в пространство.

В заключение отметим, что режим бегущей волны имеет большое практическое значение. В режиме, близком к нему, должны работать все линии передачи антенно-фидерных уст­ ройств, поэтому еще раз обратим внимание на основные свойства бегущих волн:

— в каждой точке линии нап­ ряжение и ток изменяются во времени по синусоидальному за­ кону, причем они совпадают по фазе; последнее говорит о том, что линия, работающая в режи­ ме бегущей волны, представляет для генератора активную нагруз­ ку;

— амплитуда колебаний нап­ ряжения (тока) в любой точке, линии без потерь одинакова; в ре­ альной линии амплитуда'колеба­ ний убывает к концу линии, что оценивается коэффициентом зату­ хания; '

— сопротивление линии в ре­ жиме бегущей волны равно вол­ новому; бегущая волна переносит энергию вдоль линии от источни­ ка тока.

Линия, нагруженная актив­ ным сопротивлением,равным вол­

новому, получила название согласованной. Подключение к ее концу сопротивления RH= p эквивалентно удлинению линии до бесконечности, так как в обоих случаях поглощается вся энер­ гия, переносимая бегущей волной.

§ 3. Линии конечной длины

Процессы, протекающие в линии конечной длины, показаны на рис. 40. При подключении генератора к линии в ней начинает распространяться прямая, или падающая, электромагнитная волна. Если линия нагружена на конце активным сопротивле­ нием, равным ее волновому сопротивлению (^н=р), то вся энер­ гия поглощается нагрузкой. Если же Ru ф р, то энергия падаю­ щих -волн потребляется только частично; не поглощенная наг­ рузкой часть энергии падающей волны будет распространяться

49

от конца линии к ее началу в виде бегущих волн электромаг­ нитного поля (отраженная волна).

Таким образом, в линии одновременно распространяются в противоположных направлениях две волны:' падающая и отра­ женная.

Если линия разомкнута на конце (рис. 41, a) (RB = °о), т. е. отсутствует потребитель энергии, то электромагнитная энергия падающей волны полностью отражается от конца линии и дви­ жется к ее началу. Поэтому в такой линии есть две волны с рав­ ными амплитудами: падающая и отраженная. В результате пх сложения в линии образуются так называемые стоячие волны.

*-nad

Рис. 40. Линии конечной длины

При распространении волны вдоль линии, разомкнутой на конце, ток в конце линии равен нулю, а напряжения прямой и отраженной волн складываются. Если в линии нет потерь энер­ гии, то напряжение на конце линии равно удвоенному напряже­ нию, развиваемому генератором. На рис. 44,6 представлены кривые распределения тока и напряжения вдоль линии.

Из рисунка видно, что на расстоянии х, равном 0,25 X; 0,75 X; 1,25 X от конца линии, амплитуда результирующего напряжения обращается в нуль. Ток во всех этих точках, наоборот, макси­ мален.

На расстояниях х, равных 0,5 X; 1 X; ll,5 X и т. д., амплитуды напряжения максимальны, а амплитуды тока равны нулю.

Из рисунка видно, что токи сдвинуты относительно напряже­ ния на 0,25 X и по фазе на 90°, а это служит признаком того, что линия обладает реактивным, сопротивлением.

Максимумы напряжения или тока принято называть пуч­ ностями, а минимумы — узлами. Образование узлов и пучностей характерно для режима стоячих волн.

В короткозамкнутой линии {RB —0), представленной на рис. 42, от генератора к концу линии распространяются падаю­ щие волны. Энергия их на конце линии не потребляется, а пол­ ностью отражается. В результате сложения падающих и отра­ женных волн образуются стоячие волны, которые имеют те же характерные признаки, что и в разомкнутой линии.

50

6

Рис. 41. Образование стоячих волн в разодг кнутои линии

RH= 0

Рис. 42. Короткозамкнутая линия

51

На конце короткозамкнутой л и н и и напряжение равно нулю. Это означает, что напряжение отраженной волны на конце ли­ нии в каждый момент равно по величине напряжению падаю­ щей волны и противоположно ему по знаку. Ток на конце линии максимален, так как энергия электрического поля падающей волны переходит в энергию магнитного поля.

1т г т Ит с т

Рис. 43. Зависимость входного сопротивления разом' кнутой линии от ее длины

Одной из основных характеристик длинной линии является ее входное сопротивление ZBX, определяемое как отношение на­

пряжения к току на входе линии, т. е. Z BX= —f xв-х- . Входное со-

*т вх

противление бесконечно длинной линии равно ее волновому со­ противлению (ZEX= p) и имеет чисто активный характер, обу­ словленный тем, что энергия уходит от генератора в линию и обратно в генератор не возвращается.

52