Лекция 12 (лекции по УГФС), страница 7

Ёмкостная связь может быть осуществлена с контурами на отрезках любых линий: с воздушным заполнением (двухпроводные, коаксиальные линии) и с твёрдым диэлектриком (микрополосковые линии), как короткозамкнутыми, так и разомкнутыми.

В
озможная реализация ёмкостной связи при использовании контуров на основе короткозамкнутых отрезков двухпроводной и коаксиальной линий показана на рис.12.18. Аналогично реализуется связь с разомкнутыми отрезками линий контуров.

При ёмкостной связи с нагрузкой фидер (нагрузка) присоединяется к проводам отрезка линии контура не непосредственно, как в случае кондуктивной связи, а через конденсатор связи ёмкостью (напомним, что при кондуктивной связи в месте присоединения фидера может быть разделительный конденсатор, ёмкость которого ). В случае двухпроводных линий ёмкость реализуется в виде двух одинаковых конденсаторов ёмкостью 2 каждый, чтобы не нарушать симметрию устройства.

Регулировать ёмкостную связь можно изменением места подключения нагрузки (фидера) , что, однако, при использовании контуров из отрезков коаксиальных линий невозможно, либо изменением величины ёмкости связи , что всегда осуществимо.

Для передачи в нагрузку необходимой мощности на входе фидера должно быть обеспечено напряжение (12.32)

.

Очевидно, фидер должен подключаться через в сечение отрезка линии контура, в котором напряжение не ниже требуемого , а больше, так как часть напряжения упадёт на сопротивлении конденсатора связи . Чем ближе подключение элемента связи к максимуму (или к пучности) напряжения в линии контура, тем легче осуществить ёмкостную связь и меньше требуемая ёмкость .

Э квивалентная схема электрической цепи для расчёта ёмкостной связи представлена на рис.12.19, где - напряжение в сечении отрезка линии контура в месте подключения нагрузки, связанное с напряжением на ёмкости соотношением

в случае короткозамкнутого отрезка линии контура; у контура на основе разомкнутого отрезка линии

;

- амплитуда тока в нагрузке (фидере), соответствующая передаваемой в нагрузку мощности; - амплитуда напряжения на фидере (нагрузке).

Для электрической цепи (рис.12.19) справедливо соотношение:

где

- амплитуда напряжения на ёмкости .

Используя приведенные соотношения, получаем для ёмкости :

. (12.41)

Как следует из (12.41), реализация ёмкостной связи возможна только при , то есть напряжение в сечении отрезка линии контура, куда присоединяется нагрузка (фидер), должно быть больше необходимого на входе фидера. Чем сильнее различаются напряжения, тем меньше величина требуемой ёмкости и тем проще будет её реализация. Подбирая место присоединения нагрузки , можно получить удобное для реализации конденсатора связи значение его ёмкости.

Используя соответствующие выражения для напряжений в (12.41), можно получить выражение для определения сопротивления нагрузки (фидера), отнесённого к точкам подключения АЭ (ёмкости ), . Точно также, можно получить выражение для определения мощности в нагрузке, если известна ёмкость связи .

Для увеличения передачи мощности в нагрузку может оказаться необходимым компенсировать ёмкость связи включением компенсирующей индуктивности или отрезка длинной линии в качестве индуктивного шлейфа. Необходимость подобной настройки ёмкости связи появляется в контурах из отрезков коаксиальных линий, где нет возможности изменять место присоединения связи . Реализация настройки ёмкости связи при использовании контура из короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии и эквивалентные схемы получающихся цепей показаны на рис.12.20. Аналогично может быть реализована настройка ёмкостной связи в случае контуров из разомкнутых отрезков линий.

В схеме (рис.12.20,а) компенсирующая индуктивность представляет один-два витка провода, соединяющего пластину конденсатора связи с внутренним проводом коаксиального фидера, идущего к нагрузке. Схема соответствует последовательной настройке связи, и элементы её удовлетворяют условию резонанса

,

которое позволяет найти значение .

Схема (рис.12.20,б) соответствует параллельной настройке связи.¹³ Схема более удобна для применения в диапазонных генераторах, так как настройка связи осуществляется перемещением короткозамыкателя индуктивного шлейфа.

Разновидностью ёмкостной связи является связь с помощью зонда. Зонд представляет собой короткий отрезок провода, являющегося продолжением внутреннего проводника коаксиального кабеля, вводимого во внутреннее пространство отрезка коаксиальной линии контура в направлении вектора напряжённости электрического поля.

Связь с нагрузкой при использовании связанных линий

Если провода одной длинной линии разместить вблизи проводов другой, то между этими линиями проявляется электромагнитная связь, то есть связь за счёт электрического и магнитного полей. Такие линии называются связанными.

Примеры связанных линий показаны на рис.12.21: двухпроводные линии (а), симметричные полосковые линии (б), несимметричные микрополосковые линии (в), коаксиальные линии (г).

Н
а рис.12.22 представлено условное изображение связи с нагрузкой с использованием короткозамкнутых отрезков связанных линий. Это могут быть два связанных контура на отрезках линий одинаковой длины. К одному контуру подключается АЭ генератора, а к другому – полезная нагрузка.

В варианте (рис.12.22,а) АЭ, отображаемый на схеме ёмкостью , и нагрузка располагаются с одной стороны, а в варианте (рис.12.22,б) – с противоположных сторон. Помимо конструктивных особенностей, при прочих одинаковых параметрах во втором варианте связь оказывается сильнее. Соответственно система получается широкополоснее. Физически это объясняется тем, что в первом варианте электрическая и магнитная связи действуют в противофазе и, соответственно, ослабляют друг друга. Во втором варианте они дополняют друг друга. Если на рабочей частоте длина отрезков окажется равной , то в первом варианте передачи мощности в нагрузку не будет. Во втором варианте мощность в нагрузку будет передаваться.

Нетрудно видеть, что связь с нагрузкой с использованием связанных линий родственна связи с помощью коротких витков.

Симметрирование связи с нагрузкой контуров из отрезков двухпроводных линий

Если контур выполнен из отрезка двухпроводной линии, а нагрузка присоединяется с помощью коаксиального кабеля, то может произойти серьёзное нарушение симметрии схемы генератора, особенно очевидное при осуществлении кондуктивной и ёмкостной связи контура с нагрузкой (рис.12.23,а,б). Нарушение симметрии схемы в первую очередь связано с тем, что внешний провод (оболочка) коаксиального фидера соединяется с землёй (корпусом). В случае связи с помощью короткого витка (рис.12.23,в) симметрия схемы нарушается из-за наличия паразитной ёмкостной связи между витком и проводами контура вследствие того, что один конец витка присоединяется непосредственно к земле (корпусу) через внешнюю оболочку кабеля, а второй – к центральному проводнику кабеля. При этом, чем выше частота, тем более асимметричным будет режим работы каждого из проводов контура (рис.12.23,г).

Нарушение симметрии схемы приводит к нарушению нормального режима работы генератора и увеличению потерь на излучение.

Поэтому в конструкциях генераторов с контурами из отрезков двухпроводных линий при связи с нагрузкой коаксиальным фидером необходимо предусматривать использование симметрирующих устройств.

В качестве симметрирующего устройства может быть использован четвертьволновый короткозамкнутый на одном конце отрезок коаксиальной линии, расположенный поверх внешней оболочки коаксиального фидера вблизи присоединения его к контуру. Входное сопротивление такого отрезка стремится к бесконечности, преграждая путь токам высокой частоты на внешнюю оболочку фидера и, соответственно, на корпус (землю). Указанное симметрирующее устройство известно в радиотехнике как четвертьволновый стакан.

Н
а рис.12.24,а в качестве примера показана схема связи с помощью короткого витка с использованием в качестве симметрирующего устройства четвертьвонового стакана. На рис.12.24,б показана эквивалентная схема, поясняющая принцип симметрирования. На центральной частоте оба провода контура из отрезка двухпроводной линии оказываются практически изолированными от корпуса (земли) благодаря наличию четвертьволнового короткозамкнутого отрезка линии. Сказанное очевидно из сравнения схем (рис.12.23,г) и (рис.12.24,б). Аналогично осуществляется симметрирование с использованием четвертьволнового стакана при кондуктивной и ёмкостной связях с нагрузкой.