Дегтярь Г.А. Устройства генерирования и формирования сигналов (2003) (1095864), страница 38

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 38)

Именно такой тип волны желателен для использования, так как при этом получаются наименьшими геометрические размеры контура длязаданной длины волны, больше эквивалентное резонансное сопротивление контура, проще реализуется связь с полезной нагрузкой и перестройка контура может быть осуществлена достаточно просто. Поперечные электромагнитные колебания являются основнымтипом, возбуждаемым в длинных линиях.165Для построения КС генераторов в основном используют короткозамкнутые на одном**конце  Z Н  0  и разомкнутые  Z Н    отрезки длинных линий.В ламповых генераторах наиболее широко используются короткозамкнутые отрезкилиний, так как они позволяют получить большее значение эквивалентного сопротивленияконтура Roe и упрощают подведение питающих напряжений к лампе, что особенно важнов мощных генераторах, когда напряжение питания анода Е А составляет десятки кВ.В транзисторных генераторах, где не требуется большое сопротивление нагрузкиконтура Roe , широко применяются КС на основе разомкнутых отрезков длинных линий.При этом со стороны разомкнутого конца отрезка линии, как правило, присутствует со*противление нагрузки Z Н конечной величины с реактивной составляющей ёмкостногохарактера.*Следует отметить, что реализация режима работы отрезка длинной линии с Z Н  практически невозможна, так как со стороны разомкнутого конца отрезка всегда проявляется торцевая ёмкость, влияние которой возрастает с частотой.

С повышением рабочей*частоты могут быть также трудности в реализации Z Н  0 , то есть в обеспечении режимакороткого замыкания на конце отрезка.Определение геометрической длины отрезка линии колебательной системы генератора.Типы используемых линийНа рис.12.2 представлены две основные схемы КС – одиночных колебательных контуров на основе короткозамкнутого (рис.12.2,а) и разомкнутого (рис.12.2,б) отрезковдлинных линий. Каждый контур может рассматриваться как параллельное соединение сосредоточенной ёмкости С0 (обычно образуется межэлектродной ёмкостью АЭ) и отрезкалинии длиной  с волновым сопротивлением Z 0 .С0Z0ℓаКороткозамыкатель*(ZН = 0)РазрывС0*(ZН = ∞)ℓРис.12.2бЧтобы в схемах (рис.12.2) имел место резонанс, отрезок длинной линии долженпредставлять индуктивное сопротивление, компенсирующее на интересующей частотесопротивление ёмкости С0 , то есть должно выполняться условие резонанса колебательного контура3, которое применительно к рассматриваемым схемам можно записать в следующем виде:Х С  Х Л  0,(*)где Х С  1 С 0 - сопротивление ёмкости С0 на частоте  ; Х Л - реактивная составляющая входного сопротивления отрезка линии относительно точек подключения ёмкостиС0 .3См.

лекцию 10.166В общем случае при пренебрежении потерями в длинной линии входное сопротивление отрезка линии длиной  с волновым сопротивлением Z 0 , нагруженного на сопро*тивление Z Н , определяется согласно уравнениям (12.1), (12.2) при х =  соотношением:***Z ВХ U*I*U Н cos   j I Н Z 0 sin ** Z0UНsin I Н cos   jZ0*Z Н  jZ 0tg*.(12.3)Z 0  j Z Н tg*У короткозамкнутого отрезка ( Z Н  0) входное сопротивление оказывается чистореактивным и равным*Z ВХ  jZ 0tg  jX Л ;(12.4)*у разомкнутого отрезка ( Z Н  ) входное сопротивление также оказывается чисто реактивным и равным*Z ВХ   jZ 0 сtg  jX Л .(12.5)Используя (12.4), (12.5), условие резонанса (*) для контуров рис.12.2 можно записатьв следующем виде:- для контура на основе короткозамкнутого отрезка (рис.12.2,а)1 Z 0 tg  0 ;(12.6)С 0- для контура на основе разомкнутого отрезка (рис.12.2,б)1 Z 0 ctg  0 .(12.7)С 0Величину   2  принято называть электрической длиной контура (выражаетсяв градусах или радианах).Условия резонанса (12.6), (12.7) позволяют определить геометрическую длину отрезка линии контура.Длина короткозамкнутого отрезка согласно (12.6)11  arctgn ;(12.8)C 0 Z 02длина разомкнутого отрезка согласно (12.7)11  arcctg ()n .(12.9)C 0 Z 02Слагаемые n / 2 , где n = 0, 1, 2, … обусловлены периодичностью функций tg иctg .На рис.12.3 показаны графические решения соответствующих уравнений – условийрезонанса (12.6), (12.7).0 , 1 , 2 , ...

- геометрические длины отрезков линии соответственно при n = 0, 1, 2, …Когда   0 , то длина отрезка получается наименьшей и принято говорить, что КСработает на основном тоне. При n  1 КС работает на высшем тоне (обертоне): первом –при n = 1, втором – при n = 2 и т.д.Как видно из рис.12.3, при одинаковом номере тона длина короткозамкнутого отрезка оказывается заметно меньше длины разомкнутого отрезка линии (при одних и тех жезначениях  , С 0 , Z 0 разница в длинах равна  / 4 ).

Самая короткая длина получается у короткозамкнутого отрезка при работе на основном тоне (n = 0). В этом случае 0   / 4 . Уразомкнутого отрезка  / 4  0   / 2 .167tgβℓ1ωC0Z0π/2π2π3π/2βℓ0βℓ15π/2βℓ2аβℓ3πβℓ3ctgβℓπ/2βℓ2βℓ1βℓ0π3π/22π5π/23πβℓ–1ωC0Z0бРис.12.3В верхней части СВЧ диапазона получающаяся длина отрезка линии 0 может оказаться слишком малой и, как результат, конструктивно неприемлемой (например, меньшеразмеров выводов электродов АЭ). В этом случае приходится удлинять отрезок на  / 2 иболее.На рис.12.4 показаны распределения токов (12.1) и напряжений (12.2) вдоль проводов отрезков линий КС при работе на основном тоне и первом обертоне.

U M , I M - соответственно, максимальное напряжение и максимальный ток в линии, связанные соотношением: U M  I M Z 0 .Чем больше величина сосредоточенной ёмкости С0 и больше волновое сопротивление линии Z 0 , тем меньше требуемая длина отрезка линии. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании контуров на основе отрезков длинных линий, так какв ряде случаев длина отрезка получается неконструктивной: либо слишком короткой, либо слишком длинной. Подбором поперечных размеров линии можно в некоторых пределах изменять Z 0 и тем самым влиять в желаемую сторону на длину отрезка  .КС на основе отрезков длинных линий теоретически обладают бесконечным числомрезонансных частот. Если известна длина отрезка  и ёмкость С0 , то условия (12.6), (12.7)могут быть использованы для определения резонансных частот КС.

Основному тону соответствует самая низкая резонансная частота, то есть самая большая длина резонансной168волны. Подобную задачу приходится решать в автогенераторах СВЧ при использованииконтуров из отрезков длинных линий.UxIxIMIMC0n= 0C0λ/2ℓ0IxIMUMn= 0Uxλ/2ℓ0C0IxIMn= 1IxUMIMUxC0UMℓ1Короткозамкнутые отрезкиаРис.12.4UMUxIMn= 1ℓ1Разомкнутые отрезкибВолновое сопротивление длинной линии Z 0 связано со скоростью распространения электромагнитных колебаний в среде, заполняющей пространство между проводами, ипогонными реактивными параметрами линии: индуктивностью LПОГ , ёмкостью С ПОГ припренебрежении потерями в проводах и среде соотношениемLПОГr1100Z 0  LПОГ [Ом],C ПОГC ПОГ r 3 C ПОГ В [пФ см]где C ПОГ В - погонная ёмкость линии при заполнении пространства между проводами воздухом;  r ,  r - относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости среды (диэлектрика) между проводами линии.Напомним, что скорость распространения  электромагнитных колебаний в средесвязана со скоростью их распространения с в вакууме (воздухе) соотношением:с.r rСоответственно, C ПОГ   r C ПОГ В ; LПОГ   r LПОГ В , где LПОГ В - погонная индуктивность линии, при заполнении среды между проводами воздухом (свободное пространство).

В воздухе с  3 1010 см / с .Погонные параметры линий определяются поперечными размерами проводов, ихвзаимным расположением и расположением относительно проводящих поверхностей, вчастности, корпуса, экрана.Для изготовления КС ламповых генераторов широко применяют коаксиальные (а),двухпроводные (б), однопроводные (в) и симметричные полосковые линии (г), условныепоперечные сечения которых представлены на рис.12.5.Без учёта потерь в проводах и в среде между ними волновое сопротивление коаксиальной линии169Z 0  60r DDln  138 r lg [Ом] ,r dr dгде D - внутренний диаметр наружного проводника; d - внешний диаметр внутреннегопроводника линии.dddbaпроводящая поверхностьDа(2,5…3)bвбb/2dгРис.12.5У двухпроводных линий, под которыми понимается система из двух проводов одинакового сечения, расположенных на одинаковом расстоянии от проводящей поверхности4 и из которых один провод для тока является прямым, а другой - обратным, волновоесопротивление без учёта потерь и влияния проводящей поверхности2a2aZ 0  120 r ln 276 r lg [Ом] .rrddПри размещении проводов двухпроводной линии в экране волновое сопротивлениелинии зависит от размеров экрана и его формы (круглая или прямоугольная).

Волновоесопротивление двухпроводной линии в экране меньше, чем без экрана.Волновое сопротивление однопроводной (несимметричной) линии без учёта потерь впроводе и теоретически бесконечных размерах проводящей поверхности без потерь4h4hZ 0  60 r ln 138 r lg [Ом] .rdrdДвухпроводная линия может рассматриваться как последовательное соединение двуходнопроводных линий, провода которых расположены симметрично относительно проводящей поверхности нулевой толщины, проходящей посередине между проводами двухпроводной линии.

Соотношение размеров линий в этом случае: a = 2h, а волновые сопротивления различаются ровно в два раза.Волновое сопротивление симметричной полосковой линии при d  b / 2 с погрешностью не более 1% определяется по формуле:4b4bZ 0  60 r ln 138 r lg [Ом] . r d r dНетрудно заметить родство симметричной полосковой линии с проводником круглого сечения с коаксиальной линией.

Данная полосковая линия может рассматриваться каккоаксиальная линия, у которой наружный проводник разрезали по образующей в диаметрально противоположных местах на две половины, которые разогнуты и продолжены вобе стороны относительно центрального проводника. Родство этих линий проявляетсятакже в сходстве выражений для определения волнового сопротивления Z 0 . Как видно изформул, симметричной полосковой линии (рис.12.5,г) соответствует коаксиальная линия(рис.12.5,а), у которой D  4b / d  1,273b .

Нетрудно проследить переход от однопроводной линии (рис.12.5,в) к коаксиальной линии и наоборот. Учитывая отмеченное ранее4В том числе от поверхности Земли в случае открытой линии.170сходство двухпроводной и однопроводной линий, можно установить связь во взаимныхпереходах между двухпроводной и коаксиальной линиями.Для изготовления КС транзисторных генераторов СВЧ наиболее часто используютнесимметричные полосковые и микрополосковые ( r  9) линии с проводниками конечной толщины (рис.12.6). Формулы для определения волнового сопротивления таких линийможно найти в литературе.Двухпроводные линии, обладающие большим волновым сопротивлением при относительно одинаковых поперечных размерах, используют в основном в нижней части диапазона СВЧ (метровые волны).

Коаксиальные и полосковые линии в основном используют в верхней части диапазона СВЧ (дециметровые и сантиметровые волны). Несимметричные полосковые и микрополосковые линии рекомендуется применять на частотах выше 100 МГц. Рабочий диапазон частот таких линий (100…30 000) МГц.WМеталлический полосокthДиэлектрикПроводящая поверхностьРис.12.6Длинные линии в технике генераторных устройств применяют не только для изготовления КС, но и для передачи энергии высокочастотных колебаний в полезную нагрузку.

Используемую для этих целей линию конечной длины обычно называют фидером.5Наиболее широко в качестве фидера используются коаксиальная и двухпроводнаялинии (рис.12.5,а,б). При использовании двухпроводной линии часто оба провода помещают в экран (рис.12.7), чтобы уменьшить потери на излучение.ЭкранРис.12.7В этом случае оба внутренних провода могут возбуждаться либо синфазно (полностью одинаковое напряжение на проводах и одинаковые токи в проводах), либо противофазно (напряжения на проводах и токи в них равны по величине, но противофазны). Припротивофазном возбуждении проводов один из них служит «прямым» проводом, второй«обратным» для тока источника возбуждения. При синфазном возбуждении проводов«обратным» проводом для тока источника возбуждения служит экран.

Характеристики

Список файлов книги