- •Семинар № 4. Круговая диаграмма полных сопротивлений и проводимостей. Основные точки и линии диаграмм.
- •§4.1. Основные теоретические сведения.
- •§ 4.2. Примеры решения типовых задач.
- •§ 4.3. Задачи для самостоятельного решения.
- •Литература
- •Семинар № 5. Методы узкополосного согласования линии с нагрузкой.
- •§5.1. Основные теоретические сведения.
- •Четвертьволновый трансформатор сопротивлений
- •§ 5.2. Задачи для самостоятельного решения.
- •Литература
Литература
1. Лялин К.С., Приходько Д.В. Электродинамика СВЧ. Ч.1. – М.: МИЭТ, 2009, стр. 92 – 96.
2. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. – М.: «Радио и связь», 1990 г., стр. 130 – 150.
Описание активных и интерактивных методов обучения.
Каждое практическое занятие строится по следующей схеме:
В начале каждого занятия производится контроль знаний и умений студентов, а также выполнения домашнего задания по предыдущему практическому занятию, в форме самостоятельной работы, варианты заданий в которой составлены из приведенных в данном пособии задач (10 мин).
С применением мультимедиа проектора и доскиразбираются основные теоретические сведения, необходимые для решения задач по теме занятия (15-20 мин.)
Решение типовых задач осуществляется самими студентами – один человек разбирает задание у доски, остальные в диалоговом режимеметодоммозгового штурмапомогают с места. Основная задача преподавателя направлять решение задачи в нужном направлении. (15 – 20 минут на задачу).
Семинар № 5. Методы узкополосного согласования линии с нагрузкой.
§5.1. Основные теоретические сведения.
Четвертьволновый трансформатор сопротивлений
Простейшей
схемой согласования является
четвертьволновый трансформатор,
представляющий собой отрезок линии
передачи длиной
, входное
сопротивление которого определяется
следующим выражением
. (5.1)
Если
сопротивление нагрузки чисто активное
или в качестве
нагрузки выступает линия с другим
характеристическим сопротивлением
,
то входное сопротивление линии длиной
также является
чисто активным. Это свойство может быть
использовано для согласования двух
линий передачи с разными волновыми
сопротивлениями (рис.5.1, а), а также линии
с произвольной активной нагрузкой
(рис.5.1, б).

При этом для схем, представленных на рис. 5.1 легко получить условия согласования:
,
(5.2)
, (5.3)
здесь
- характеристическое
сопротивление трансформатора.
С помощью четвертьволнового трансформатора можно согласовать и комплексную нагрузку. Для этого трансформатор надо включить на таком расстоянии от нагрузки, где ее входное сопротивление является чисто активным (точки А и Б на рис. 5.2).

Рис.5.2.Согласование комплексной нагрузки четвертьволновым трансформатором
Из рис.5.2 следует
(5.4)
В этом случае условия согласования имеют вид:
и
. (5.5)
Очевидно,
что идеальное согласование сопротивлений
выполняется только на рабочей частоте
, т.е. только
при условии
. Рассмотрим
теперь подробнее поведение трансформатора
в некоторой полосе частот вблизи рабочей
частоты. Такое рассмотрение необходимо,
поскольку для передачи информации
всегда, по определенному закону,
изменяется какая либо характеристика
сигнала (амплитуда, частота или фаза),
что приводит к появлению целого спектра
частот вблизи рабочей частоты, имеющего
определенную ширину
.
Введем
обозначение
и, учитывая
(5.1), запишем выражение для коэффициента
отражения во входном сечении
четвертьволнового трансформатора
. (5.6)
Поскольку
, получим
.
(5.7)
При этом модуль коэффициента отражения имеет следующий вид




,
(5.8)
здесь учтено
.
Теперь учтем
наше предположение о близости
рассматриваемых частот к рабочей частоте
. В этом случае
,
,
и (5.8) можно
записать в виде
.
(5.9)
Формула (5.9) дает приблизительную оценку полосы согласования в окрестности рабочей частоты, примерный вид кривой модуля коэффициента отражения показан на рис.5.3.

Рис.5.5. Поведение модуля коэффициента отражения четвертьволнового трансформатора вблизи рабочей частоты
Если задать
максимально допустимое значение модуля
коэффициента отражения
, то можно
определитьполосу согласованиятрансформатора
, (5.10)
учитывая
симметрию (5.8) относительно
и
при
и при
. Приравнивая
соответствующему
значению из (5.8), определим выражение
для
:
,
или
. (5.11)
Рассчитаем диапазон частот согласования для линий передачи с поперечными TEM волнами, в которых справедливы следующие соотношения
,
откуда следует
значение нижней частоты полосы
согласования при

.
Из последнего выражения может быть найдена относительная полоса согласования трансформатора

. (5.12)
Обычно
относительная полоса частот выражается
в процентах,
.
Из (5.12)
следует, что полоса согласования
увеличивается с приближением значения
к значению
.
Полученные результаты строго справедливы только для линий с TEM-волнами. В линиях с другими типами волн (таких как волноводы) постоянная распространения не является линейной функцией частоты, а волновое сопротивление становится частотно зависимым. Эти факторы усложняют результат расчета коэффициента отражения четвертьволнового трансформатора в таких линиях передачи, однако, полоса пропускания трансформатора обычно достаточно мала и указанные сложности не сильно влияют на результат. Кроме того, другим фактором, который мы игнорировали в приведенном выше анализе, являются паразитные емкости, связанные со скачками характеристических сопротивлений на стыках линий передачи. Подобные неоднородности могут быть компенсированы путем введения небольших изменений в длину четвертьволнового трансформатора.
На рис.5.5 показан ряд зависимостей модуля коэффициента отражения от относительной частоты отстройки для разных соотношений сопротивлений линии и нагрузки.

Рис.5.5. Модуль коэффициента отражения четвертьволнового трансформатора для различного соотношения согласуемых нагрузок
Одношлейфовый трансформатор
Рассмотренный ранее четвертьволновый трансформатор чаще всего применяется для согласования чисто активных сопротивлений. Согласование с его помощью комплексных нагрузок неоптимально с точки зрения длины согласующей схемы - более четверти длины волны в линии передачи. Поэтому на практике для согласования комплексных нагрузок применяют шлейфные трансформаторы сопротивлений, выполняемых в виде набора замкнутых или разомкнутых на конце отрезков линий передачи, подключаемых параллельно нагрузке в линию передачи.
Простейшей и наиболее распостраненной схемой подобного рода является одношлейфовый трансформатор, показанный на рис. 5.6, а. Эквивалентная схема такого трансформатора представлена на рис.5.6,б.

Рис.5.6.Одношлейфовый трансформатор (а) и его эквивалентная схема (б)
Рассмотрим принцип действия одношлейфового трансформатора с помощью круговой диаграммы в терминах проводимостей1. Соответствующие построения приведены на рис.5.7.
На круговой
диаграмме точкой
обозначена
проводимость нагрузки в относительных
единицах. Изменение расстояния
соответствует
перемещению по окружности КСВН = const.
Точки А и Б определяются пересечением
окружности КСВН = const с окружностью
. Путем изменения
расстояния
находим
сечения, в которых нормированная активная
составляющая проводимости нагрузки
равна 1 (точки А и Б на диаграмме). В этих
точках подключают шлейф, длина которого
соответствует реактивной входной
проводимости, дающей в сумме с проводимостью
в т. А и Б проводимость
(движение по
окружности
к центру
диаграммы по стрелкам).

Рис.5.7.Применение диаграммы Смита для согласования нагрузки одношлейфовым трансформатором
Теперь
получим аналитическое выражение для
величин
и
. Для этого
предположим, что сопротивление нагрузки
имеет вид
. Тогда входное
сопротивление нагрузки на расстоянии
от нее
определится как
, (5.13)
где
. Проводимость
в этой точке
,
здесь
,
(5.14а)
.
(5.14б)
Поскольку
условием согласования является
, то из (5.14а)
получим квадратное уравнение дляt:
,
решая которое, получим
при
. (5.15)
Если
, тогда
, и теперь мы
имеем два возможных решения для величины
(5.16)
Чтобы
определить требуемую длину шлейфов,
сначала подставим значение tиз
(5.15) в (5.14б) и найдем значение входной
реактивной проводимости шлейфа
. В результате
для шлейфа холостого хода имеем
,
(5.17а)
а для короткозамкнутого шлейфа
.
(5.18б)
Если
полученные значения длин окажутся
отрицательными, то необходимо к результату
прибавить
.
