Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 32
Текст из файла (страница 32)
лебедев В теории обычных длинных линий под режимом согласования понимают случай, когда сопротивление нагрузки, включенное на конце линии, в точности равно характеристическому сопротивлению данной линии, т. е. Л„=Ус. При этом отраженная волна отсутствует. Коэффициент отражения Г оказывается равным нулю; коэффициент стоячей волны равен единице. Такое понятие согласования полностью используется и при работе с любыми передающими линиями сверхвысоких частот. Нетрудно показать (см. ниже), что мощность, поступающая в нагрузку от согласованного генератора, в режиме согласования имеет наибольшую величину. Однако в случае, когда генератор не согласован с передающей линией, т. е. внутреннее сопротивление генератора не равно характеристическому сопротивлению линии, максимум передаваемой мощности достигается при иной величине сопротивления нагрузки. Этот особый режим получил название сопряженного согласования*.
Сопряженное согласование встречается не только в цепях сверхвысоких частот, но и в обычных электрических цепях переменного тока с сосредоточенными постоянными ~11. Таким образом, возможны два способа передачи максимальной мощности от генератора к нагрузке: 1) в режиме чисто бегущей волны, когда генератор и нагрузка согласованы с передающей линией; 2) в режиме стоячей волны, при котором выход генератора и вход нагрузки рассогласованы с линией. В технике сверхвысоких частот главный интерес представляет лишь первый случай. Сопряженное согласование следует иметь в виду в основном как нежелательное явление, приводящее, например, в измерительной технике СВЧ к появлению серьезных погрешностей.
Сам термин «согласование» применяется обычно как синоним режима работы линии при отсутствии отраженной волны. Рассмотрим причины, в силу которых обычно стремятся достичь возможно лучшего согласования, т. е. приблизить КСВ к идеальной величине, равной единице. а. Мощность, поступающая в нагрузку от согласованного генератора Мощность, передаваемую в нагрузку, находящуюся на конце линии без потерь, можно определить в любом сечении линии из обычного соотношения Р= — ! У!. !х!соя ф, 1 где У и У вЂ” амплитуды напряжения и тока в данном сечении; ф — фазовый угол между ними, как показано на рис. 7.2. В сечении, где находится максимум стоячей волны напряжения, имеется минимум тока и ф=О.
Поэтому 1 ! ~!макс ! ~ !мии (7.33) ! ~!макс = !~'~пад! (1 + !~~ !)1 Подставляя выражения (7.34) и (7.35) в (7.33), получаем: р 1 ! Еал1' (1 !у !2) 2 ~? Пусть генератор является согласованным, т. е. имеет внутреннее сопротивление Е,. Тогда отраженная от нагрузки волна, поступающая в генератор, не отражается от него и не может 210 Напряжение в максимуме стоячей волны и ток в том же сечении равны: Пользуясь выражениями (7.41) и (7.14), нетрудно подсчитать, что при КСВ, равном 1,5, потери на отражение составляют около 0,17 дб (около 40/о по мощности). Такая величина потерь является обычно допустимой, однако дальнейшее увеличение ее нежелательно во избежание снижения чувствительности приемника и уменьшения дальности действия радиолокационной станции. Поэтому входные цепи приемника и другие части высокочастотного тракта должны иметь в режиме приема достаточно хорошее согласование (; <1,5 — 2,0) в пределах рабочего диапазона частот.
Примерно такое же положение можно наблюдать на другом примере — при измерении мощности сверхвысокочастотных колебаний в случае согласованного генератора. Пусть измеритель мощности (калориметрический или термисторный, см. главу 8) 1 рассогласован с линией и имеет КСВ, равный 2. Тогда~.Г~ =— и, согласно уравнениям (7.38) и (7.39), измеряемая мощность будет занижена примерно на 11о~о. С точки зрения погрешности при измерении мощности вряд ли нужно стремиться к очень хорошему согласованию. Так, уже при р = 1,2 погрешность за счет рассогласования становится менее одного процента, в то время как погрешность за счет других факторов может достигать нескольких процентов. Следовательно, при измерении мощности достаточно хорошим можно считать согласование, характеризуемое величиной КСВ порядка 1,2 — 1,5. Уравнение (7.38) формально показывает, что при идеально согласованном генераторе критерием согласования нагрузки в принципе может служить не только величина КСВ, стремящаяся к единице, но и максимум мощности, поступающей в нагрузку.
Практически, однако, контроль согласования по величине мощности обладает совершенно недостаточной чувствительностью. В самом деле, погрешность в нахождении максимума мощности, равная 1 $, соответствует КСВ около 1,22. Непосредственный контроль по величине КСВ дает значительно большую точность Следует учесть также, что даже небольшое рассогласование выхода генератора приводит к большой дополнительной ошибке в КСВ нагрузки за счет сопряженного согласования, если нагрузка настраивается по максимуму мощности. Поэтому наиболее правильным является непосредственный контроль величины КСВ в передающей линии.
б; Электрическая прочность линии при рассогласованной нагрузке Вопросы пробивной мощности передающих линий СВЧ в режиме бегущей волны обсуждались в ~ 5.3. В случае рассогласованной нагрузки пробивная мощность линии снижается за счет перенапряжений в максимумах стоячей волны. 212 Для количественной оценки влияния рассогласования необходимо учесть, что пробой возникает в режиме, когда напряженность электрического поля в максимуме стоячей волны становится равной пробивной напряженности. Для эквивалентной длинной линии условие пробоя записывается через напряжения: ~ ~ ~ макс ~.~проб~ (УА2) где Кпроб — пробивное напряжение линии при данных условиях.
Обозначим чеРез 1У„,„~ п,б амплитУДУ напРЯжениЯ паДающей волны, при которой в линии начинается электрический пробой. В соответствии с выражениями (7.34) и (7.42) получаем: ~~проб ! пад ! проб Мощность Р,р,б, при которой происходит пробой, является пределом передаваемой в нагрузку мощности. По соотношению Подставляя сюда выражение (7.43), имеем: 1 Упроб 1 — ~ .Г ~ 1 Упроб 1 "роб 2 У 1 + ~ 1 ~ 2 У р (7.44) где р — коэффициент стоячей волны в рассматриваемой линии. При согласовании нагрузки с - линией КСВ равен единице и пробивная мощность имеет наибольшую величину: 2 1 Итроб Рпроб.
макс = с (7.45) В случае рассогласования пробивная мощность с учетом выражений (7.44) и (7.45) оказывается равной 1 Рпроб = Рпроб. макс * НаПОМНИМ, ЧтО ПОд Рпроб ПОдраэуМЕВаЕтСя НЕ МОщНОСтЬ, КОтОрОй обладает рассматриваемый генератор, а та часть мощности, которая поступает в нагрузку как раз перед возникновением электрического пробоя.
213 Таким образом, электрическая прочность передающей линии при рассогласованной нагрузке снижается в р раз по сравнению с электрической прочностью согласованной линии*. Уравнение (7.46) следует рассматривать как поправку к уравнениям (5.8) — (5.13), определяющим теоретическую величину 'Рпрой макс для однородных передающих линий СВЧ в режиме чисто бегущей волны (р = 1) . Для предотвращения пробоев в высокочастотном тракте желательно уменьшать величину КСВ нагрузки. При передаче больших мощностей обычно стремятся обеспечить КСВ не более 1,5. в.
Потери в линии при наличии стоячих волн При наличии потерь в стенках передающей линии и в диэлектрике (если линия имеет диэлектрическое наполнение) общие потери мощности возрастают с ростом КСВ и превышают величину, определяемую уравнениями (5.23) — (5.28) . Можно показать, что потери в линии при передаче энергии от генератора в нагрузку в общем случае определяются соотноше- нием А 1010 1 — ~гре ы — 2~Е (~ ~ у- р) (7АУ) где 1 — геометрическая длина линии между генератором и нагрузкой; х — постоянная затухания рассматриваемой волны.
В отсутствие отражения уравнение (7.47) дает потери, равные А — 101де" =- 8,68~1 до, 214 что совпадает с ранее выведенным соотношением (5.23). Чем больше величина ~1 ~, тем, согласно выражению (7.47), больше потери и тем меньше коэффициент полезного действия передающей линии. В качестве примера рассмотрим линию, потери в которой при идеальном согласовании составляют 1 дб. Тогда из уравнения (7.48) получаем: е~"' =1,26. С помощью соотношения (7.47) легко найти потери для любого режима рассогласования. Так, при КСВ нагрузки, равном 2, потери увеличиваются до 1,2 дб. При р =5 потери равны уже 2,12 дб, а при р = 10 достигают почти 3,5 дб.
Можно провести аналогию между влиянием рассогласования нагрузки с линией и влиянием коэффициента мощности сову в цепях переменного тока низкой частоты. Подобно тому, как в электрических сетях промышленной частоты стремятся повысить сову и уменьшить реактивную мощность, так на сверхвысоких частотах желательно снижать коэффициент стоячей волны нагрузки. Потери в высокочастотном тракте особенно сильно возрастают при наличии диэлектрического наполнения. В некоторых случаях, когда диэлектрик (например, резонансное окно) оказывается в максимуме стоячей волны электрического поля, возможен ава- рийный режим.
Выделение тепла в диэлектрике резко возрастает, что может привести к проплавлению или растрескиванию диэлектрика. С указанным явлением связано иногда разрушение вывода энергии мощных электровакуумных приборов СВЧ, если нагрузка недостаточно хорошо согласована с высокочастотным трактом. г. Работа злектровакуумных приборов СВЧ при рассогласованной нагрузке д. Влияние рассогласования на шумовые параметры Значительное влияние рассогласование может оказать и на такой специфический параметр, как шумовая температура СВЧ устройств (см. выше $ 5.4,г). В самом деле, всякий шумящий двухполюсник (например, шумовой генератор) при рассогласовании с выходной линией перестает быть по отношению к ней черным телом. В результате этого по закону Кирхгофа при одной и той же температуре уменьшается излучаемая двухполюсником шумовая мощность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
