Согласование линии передачи с нагрузкой

Лекция 7

Согласование линии передачи с нагрузкой.

Под согласованием линии передачи с нагрузкой понимают мероприятия по обеспечению передачи возможно большей части передаваемой линией мощности от генератора в нагрузку в заданном диапазоне частот.

Идеальное согласование предусматривает передачу всей передаваемой от генератора мощности в нагрузку. В широкополосных системах связи рассогласование линии с нагрузкой может вызывать искажение передаваемой информации и значительному увеличению уровня шумов в тракте. Обычно коэффициент отражения в таких системах во всей рабочей полосе частот не должен превышать 0,02…0,05 (КСВН от 1,04…1,1).

Общие принципы согласования нагрузки с линией передачи.

Согласование может осуществляться как с преобразованием типа волны, так и без преобразования типа волны. Согласование с преобразованием типа волны также называют возбуждением. При согласовании необходимо выполнить следующие условия.

1.  заключается в возможности существования требуемого типа волны в нагрузке. Для этого требуется правильно подобрать форму и рассчитать размеры нагрузки.

2.  Заключается в возможно полном совпадении структуры поля в нагрузке и линии передач. Для его осуществления применяются преобразователи типов волн.

3.  С точки зрения теории цепей заключается в равенстве выходного сопротивления передающей линией комплексно сопряженному входному сопротивлению нагрузки. Так как в случае режима бегущей волны в линии передачи и ее выходное сопротивление чисто активное, то необходимо для компенсации реактивной составляющей сопротивление нагрузки вводить в линию передачи реактивные элементы.

С точки зрения теории электромагнитного поля при отражении от нагрузки образующаяся отраженная волна компенсируется волной, отраженной от реактивного элемента, вводимого в линию передачи, если эти волны будут равны по амплитуде и противоположны по фазе, то есть используется явление интерференции волн.

В результате введения согласующего элемента часть волны от него отражается и в направлении нагрузки, а затем снова к устройству и так далее. При этом на участке между согласующим устройством и нагрузкой образуется, за счет этих переотражений, стоячая волна, запасающая энергию, которая в нагрузку уже не поступает. Величина этой запасенной энергии зависит и от расстояния между согласующим элементом и нагрузкой. Чем больше это расстояние, тем большая энергия запасается. Следовательно, согласующий элемент должен по возможности ближе располагаться к нагрузке.

Узкополосное согласование.

При одном согласующем элементе при изменении частоты нарушаются фазовые соотношения между волной, отраженной от нагрузки и волной, отраженной от неоднородности и согласование нарушается. Поэтому такое согласование, при котором отражение от нагрузки устраняется полностью только на одной частоте называется узкополосным.

Методика узкополосного согласования заключается в следующем .

Проводимость нагрузки

, где , с помощью отрезка линии длинной  трансформируется в проводимость , активная часть которой равна волновой проводимости линии

.

Рис.

Таким образом, если считать теперь за нагрузку отрезок линии длинной  с нагрузкой, то в точках 1-1 активные составляющие волнового сопротивления линии и входного сопротивления окажутся равными.

Для компенсации реактивной составляющей к точкам 1-1 подключают реактивный шлейф с сопротивлением .

Рис.

В качестве согласующих элементов для активных составляющих сопротивлений либо применяют отрезок линии длинной  такой, чтобы в очках 1-1 входное сопротивление отрезка линии с нагрузкой имело активную составляющую по величине равную волновому сопротивлению линии, либо применяют четвертьволновый трансформатор, который представляет собой отрезок линии длинной  с волновым сопротивлением, равным

.

В качестве компенсирующих элементов для реактивных составляющих применяются штыри, диафрагмы, а также короткозамкнутые отрезки линий (шлейфы).

Примеры узкополосного согласования

1.  Согласование с помощью короткозамкнутого шлейфа

Рис.

Известно, что входное сопротивление в сечении линии, где находится узел , а в сечении где находится пучность

Рис.

Так как волновое сопротивление линии  чисто активное, то и входное сопротивление линии в сечениях, соответствующих узлам и пучностям будет чисто активным.

В промежутках между узлами и пучностями активная составляющая  будет изменятся в пределах от  до . То есть между сечениями, соответствующими узлам и пучностям всегда есть такие, в которых , а реактивная составляющая  имеет на спадающем от пучности в сторону генератора участке – емкостный характер, а на спадающем в сторону нагрузки участке – индуктивный характер.