Файл: Терсин, В. Я. Радиоэлектроника и радиотехнические измерения учебник для школ техников ВМФ.pdf

Бегущая волна представляет собой распространение электромагнитного поля в одном направлении, т. е. от генератора к концу линии.

Если бы линия не обладала индуктивностью, то в момент включения источника все элементарные конден­ саторы, распределенные вдоль линии, зарядились бы мгновенно до величины на­ пряжения источника. Одна­ ко элементарные конденса­ торы разделены индуктивно­ стями, поэтому и зарядный

т. е. скорость распростране­ ния бегущей волны, опреде­ ляется по формуле

При бегущей волне изменения тока и напряжения совпадают по фазе. Если в какой-либо точке линии в данный момент напряжение наибольшее (рис. 2.3,6), то и ток наибольший, а через четверть периода в этой точке

электрическое пола наиболее сильно. Магнитное поле наибольшее там, где ток имеет максимальное значение. Так как у бегущей волны ток и напряжение совпадают по фазе, то изменения электрического и магнитного по­

18

лей также совпадают но фазе. На рис.. 2.4 показаны электрическое и магнитное поля для поперечного раз­ реза линии и распределение этих полей вдоль линии.

Для каждой линии отношение амплитуды напряже­ ния бегущей волны Um к амплитуде тока бегущей вол­ ны 1т или отношение их действующих значений (U и /) является постоянной величиной. Она называется волно­ вым сопротивлением линии Z0 и представляет собой эквивалентное сопротивление, которое оказывает линия распространяющейся вдоль нее волне.

Рис. 2.4. Электрические и магнитные поля в линии

Волновое сопротивление для однородных линий без потерь является чисто активным и зависит только от конструкции линии. Это вытекает из формулы:

Для практических расчетов используются следую­ щие формулы:

а) для симметрической линии (воздушной и изоли рованной)

б) для коаксиальной линии

где D — диаметр внешнего провода, мм;

d — диаметр внутреннего провода, мм; /■— радиус провода, мм;

—относительная магнитная проницаемость среды;

sr— относительная диэлектрическая проницае­ мость среды.

Мощность бегущей волны выражается формулой

Р=*1и = р г 0 = -%-.

Чтобы в линии существовал режим бегущей волны, к концу линии необходимо включить потребитель с ак­ тивным сопротивлением RH, равным волновому сопро­ тивлению. Тогда вся мощность бегущей волны будет по­ требляться этой нагрузкой.

С т о я ч и е в о л н ы в р а з о м к н у т о й л и н и и . В разомкнутой линии энергия бегущей волны не может быть поглощена, так как нет потребителя. Поэтому бе­ гущая волна отражается от конца линии и в линии по­ являются одновременно две волны. Одна — падающая — движется от генератора к концу линии, а другая — от­ раженная— движется в обратном направлении. Физи­ чески процесс отражения можно объяснить так. Когда падающая волна доходит до конца линии, то там накап­ ливаются заряды, а значит, возникает дополнительная разность потенциалов. Она действует как некоторый ге­ нератор и возбуждает в линии новую волну, движущую­ ся от конца линии к ее началу, т .е. отраженную волну.

Двигаясь навстречу друг другу, они складываются, образуя стоячие волны. При стоячих волнах поток энер­ гии вдоль линии отсутствует. Это объясняется тем, что падающая и отраженная волны напряжения и тока, имеющие равные амплитуды, переносят через любое се­ чение линии равное количество энергии, но в противо­

20

остаются в одних и тех же точках линии, т. е. суммар­ ная волна «стоит на месте».

Коэффициентом стоячей волны называется отноше­ ние амплитуды напряжения (тока) в максимуме к ам­ плитуде напряжения (тока) в минимуме

Суммарная (стоячая) волна

Рис. 2.5. Сложение падающей и отра­ женной волн

Коэффициент бегущей волны есть величина, об­ ратная Кс.в-‘

Следует отметить, что при режиме, когда RHне рав­ но Z0, входное сопротивление не является чисто актив­ ным, а имеет реактивную составляющую, величина кото­ рой характеризует возврат части энергии в генератор. В том случае, когда в конце линии включено реактивное сопротивление (емкость или индуктивность), энергия падающей волны также не расходуется, а лишь времен­ но запасается и возвращается обратно. В линии возни­ кает режим стоячих волн, о котором уже говорилось.

21

§ 3. Согласующие и симметрирующие устройства

Если линия используется в качестве фидера, т. е. для передачи энергии от генератора высокочастотных колебаний к антенне и наоборот, то наиболее выгодный режим (рецсим бегущей волны) получается в случае их согласования (т. е. при равенстве нагрузочного RH и волнового ZBсопротивлений). Процесс настройки линии на бегущую волну называется согласованием линии. При согласованной линии с нагрузкой (RH= ZB) повы­ шаются к. п. д. ли-нии и стабильность работы генерато­ ра, улучшаются избирательные свойства приемных схем.

Сущность согласования состоит в том, что вблизи нагрузки включают дополнительную неоднородность. Возникающая от нес отраженная волна должна быть равна по величине и иметь противоположную фазу по сравнению с волной, отраженной от несогласованной на­ грузки. Тогда волны, отражённые от нагрузки и неодно­ родности, скомпенсируют друг друга и возникнет режим бегущей волны.

Для согласования нагрузки с волновым сопротивле­ нием линии и для согласования двух линий с различ­ ным волновым сопротивлением применяют четвертьвол­ новые линии — трансформаторы (рис. 2.6) и короткозамкнутые шлейфы (рис. 2.7).

Согласующие элементы включают между нагрузкой и фидером. Если сопротивление нагрузки имеет чисто активный характер, то для согласования линии исполь­ зуют четвертьволновой трансформатор. Его волновое сопротивление ZTp определяется формулой-

Zrp — ]/"Z0RH.

Если согласуются две линии с различными волновы­ ми сопротивлениями, то

Z Tp— \ZZ\Z 2>

где Z\ и Z2— волновые сопротивления линий.

Для согласования линии с нагрузкой, имеющей ак­ тивную и реактивную составляющие, требуется прежде

22

мый согласующим шлейфом. Точки присоединения у и длина самого шлейфа х определяются по формулам:

Рис. 2.6. Четвертьволновые трансформа­ торы

С и м м е т р и р у ю щ и е у с т р о й с т в а . При изуче­ нии процессов в линии нами предполагалось, что она находится в свободном пространстве. На самом деле

\

Рис. 2.7. Короткозамкнутый шлейф

двухпроводные линии окружены предметами, которые влияют на ее работу. В простейшем случае таким пред­ метом является плоская проводящая поверхность, со­ единенная с землей.

Двухпроводная линия называется симметричной, если в любом сечении потенциалы ее проводов относи­ тельно земли равны по величине, но противоположны по фазе. В противном случае линия называется несимме­ тричной.

23

Коаксиальная линия, внешняя оболочка которой за­ землена, является несимметричной. Открытая двухпро­ водная линия, у которой провода расположены на раз­ ной высоте от заземленной плоскости, также является несимметричной. Если же провода этой линии находят­ ся на одинаковом расстоянии от заземленной плоско­ сти, то линия будет симметричной.

L г

Рис. 2.8. Схема соединения фидеров с помощью симметрирующего устройства в виде U-колена

Нагрузки двухпроводных линий также могут быть

симметричные или несимметричные.

При соединении источников ВЧ колебаний с двух­ проводными линиями, а также линий с нагрузками на их конце следует всегда учитывать свойства симметрии всех элементов канала передачи высокочастотной энер­ гии. Подключение симметричного элемента к несимме­ тричному дела;ет симметричный элемент также несимме­ тричным. Это отрицательно влияет на работу всей си­ стемы и является недопустимым. Для сохранения свойств симметрии у симметричных элементов при их соедине­ нии с несимметричными используют симметрирующие устройства.

Вдиапазоне метровых и более длинных волн для указанных целей используется, симметрирующий транс­ форматор.

Вдиапазоне метровых и дециметровых волн симме­ трирующие устройства конструктивно выполняются в виде отрезков коаксиальных линий. Наибольшее приме­ нение нашло устройство в виде Д-колена (рис. 2.8).

24