Трансформаторы с электромагнитной связью

В диапазонах КВ, ОВЧ широкое применение находят трансформаторы « Длинная линия» (ТДЛ). В отличие от классических трансформаторов верхняя граница частотного диапазона у ТДЛ достигает (200…250) МГц. Этот тип трансформаторов также выполняется на основе магнитопровода. В качестве магнитопровода используются ферритовые кольца с относительной магнитной проницаемостью в диапазоне КВ и в диапазоне ОВЧ. Причина снижения величины относительной магнитной проницаемости связана с увеличением потерь в магнитопроводе за счет перемагничивания (гистерезиса) и вихревых токов. Однако в отличие от классических трансформаторов ТДЛ имеет слабые магнитные поля, что существенно снижает потери в магнитопроводе и уменьшает габаритные размеры трансформаторов. Рассмотрим физику работы трансформатора «длинная линия».

Отрезки длинных линий, используемых в ТДЛ разнообразны по своей конструкции. Примеры наиболее распространенных отрезков длинных линий показаны на рисунке.

Отрезок длинной линии в виде двух скрученных изолированных проводов

Отрезок длинной линии в виде двух гибких полосок и диэлектрической изоляцией между ними

Отрезок длинной линии в виде В.Ч. кабеля

Отрезок гибкой длинной линии наматывается на ферритовое кольцо или пропускается через несколько ферритовых колец.

Допустим, что мы имеем отрезок длинной линии без потерь с электрической длиной L согласованный по входу и выходу, т.е. . Тогда широкополосность такой линии передачи бесконечно большая. Фактическое ограничение широкополосности будет связано только с потерями в диэлектрике и омическими потерями в проводах линии.

Введем понятие продольной индуктивности проводов линии и и их продольного сопротивления

.

Если электрическая длина отрезка линии достаточно велика, то продольные сопротивления проводников будут весьма большими и будут удовлетворять неравенствам

.

Это обстоятельство позволяет утверждать, что точки 1-3 и 2-4 длинной линии развязаны между собой, т.к. между ними включены очень большие сопротивления . Точки 1 и 2 являются началом линии, а точки 3 и 4 – концами линии. Развязка между началом и концом линии позволяет без ущерба для работы линии передачи подсоединять к корпусу любую комбинацию точек начала и конца отрезка длинной линии. Возможные варианты таких подключений показаны на рисунках.

Передача сигнала без инверсии фазы

Передача сигнала с инверсией фазы на

Переход от несимметричного генератора к симметричной нагрузке

Переход от симметричного генератора к несимметричной нагрузке

Как видно из приведенных рисунков достаточно длинный отрезок линии позволяет решать ряд весьма важных для генераторной техники задач, а именно передавать сигналы с инверсией и без инверсии фазы, осуществлять переход от несимметричного генератора к симметричной нагрузке и от симметричного генератора к несимметричной нагрузке. Однако использование относительно длинных отрезков конструктивно неудобно. Кроме того, длинные отрезки нуждаются в тщательном выполнении согласования, нарушение которого приводит к резкому ухудшению работы ГВВ.

Для того, чтобы уменьшить геометрическую и электрическую длину отрезка длинной линии, но сохранить условие

,

отрезок длинной линии наматывают на магнитопровод, например, ферритовое кольцо с относительной проницаемостью . В результате продольные индуктивности отрезка длинной линии увеличиваются в раз. Это во столько же раз позволяет уменьшить длину отрезка длинной линии. Марку феррита и его относительную магнитную проницаемость выбирают с таким расчетом, чтобы потери в магнитопроводе не превышали допустимых норм, а электрическая длина отрезка длинной линии отвечала условию

.

В этом выражении «с» – скорость света, - диэлектрическая проницаемость изолирующего материала отрезка длинной линии.

На более низких рабочих частотах это условие будет тем более выполняться.

Достоинством коротких отрезков длинных линий является то, что влияние собственных потерь и рассогласования здесь сказывается слабо. Входное сопротивление линии без потерь при известном сопротивлении нагрузки определяется из соотношения

.

Графики изменения модуля и фазы входного сопротивления короткого отрезка длинной линии для случая, когда сопротивление нагрузки чисто активная величина, но не равная , представлены на рисунке.

Построение сделано для случая, когда , а коэффициент отражения нагрузки Г_н = 0.33 (КСВ=2, КБВ=0.5).

Второй особенностью ТДЛ является то, что напряженность магнитного поля H в магнитопроводе обусловлена разностью токов, протекающих по проводникам L₁₃ и L₂₄. В режиме согласования эти токи равны и сдвинуты по фазе на π. В результате разностный ток равен нулю. Это обстоятельство позволяет утверждать, что магнитопровод в ТДЛ работает в режиме слабых полей, и по проводам трансформатора могут протекать большие токи и не приводить при этом к насыщению сердечника. Малыми будут и потери в магнитопроводе.