ujuh зМ -л ДА о а)

V*A JAa О t

Рис. 2.12. Распределение действующи.х значений напряжения (а) н тока (б) в разомкнутой линии

ОТ конца линии, волна напряжения меняет фазу на противоположную. На конце линии нет потребления энергии, поэтому отраженная волна по амплитуде равна падающей; складываясь, они образуют стоячие полны. Ток на конце линии максимален и равен сумме токов падающей и отраженной волн. Следовательно, от ко-роткозамкпутого конца линии волна тока отражается без изменения фазы.

Сравнив рис. 2.10 и 2.12, сделаем вывод, что распределение напряжения вдоль замкнутой линии имеет такой же вид, каким было распределение тока в разомкнутой линии, а распределение тока - такой же вид, каким было распределение напряжения. Зная это, можно, не повторяя выводов предыдущего параграфа,

написать уравнения стоячих волн напряжения и тока для коротко-замкнутой линии:

Г„=2/ пад COsPxSinoi; Йет=2р/ зд8те;сСО8(0/.

Входное сопротивление ко-роткозамкнутой линии

На графике зависимости входного сопротивления от длины линии (рис. 2.13) видно, в каких случаях линия эквивалентна последовательному, параллельному контуру, индуктивности или емкости. Сравнение зависимостей, изображенных на рис. 2.11 и 2.13, показывает, что входные сопротивления короткозамкнутой и разомкнутой линий одинаковы, если длина одной из них больше или меньше другой на Я/4.

Смешанные волны. В случаях, когда линия нагружена на ак-

Рнс. 2.13. Зависимость входного сопротивления замкнутой линии от ее длины

тивное сопротивление, не равное волновому, или на комплексное сопротивление, в линии возникает режим смешанных волн. Амплитуда отраженной волны в этом случае меньше амплитуды падающей, так как на конце линии имеет место частичное поглощение энергии и частичное отражение ее. Следовательно, смешанная волна характеризуется наличием и бегущей, и стоячей волны:

/DTP ~ PПад! ОТр - PUfiuA-

Коэффициент р называется коэффициентом отражения. При комплексной нагрузке коэффициент отражения становится также комплексной величиной р-рс. Модуль коэффициента отраже-

ния показывает отношение амплитуд падающей и отраженной волн, а фаза равна сдвигу фаз между падающими и отраженными волнами напряжения на нагрузке. В режиме бегущих волн р=0, так как отсутствует отраженная вол-йа. В режиме стоячих волн при разомкнутой линии р~1, ф=0, так как волна напряжения отражается от конца линии без изменения фазы; в случае короткозамкнутой линии / =-!, ф = 180°, потому что волна напряжения, отражаясь от конца линии, меняет фазу на противоположную.

Проанал и з и р у с м графики, представленные на рис. 2.14. При

Рис. 2.14. Распределение действующих значений напряжения и тока в линии со смешанными волнами: о -при R >p: б -при Л„<р: в - нагрузка комплексная

u/uk зМ Vt

/ЧАА /*J/a Ma tblt,

I \D

/?н>р(о) режим тяготеет к режиму линии, разомкнутой на конце. Значит, волна напряжения отражается от нагрузки без изменения фазы, а волна тока - с изменением фазы на 180°, поэтому на нагрузке напряжение равно сумме падающей и отраженной волн, а ток - разности падающей и отраженной волн. Максимумы напряжения (минимумы) тока расположены вдоль линии, начиная от ее конца, через каждые Я/2. Начало координат по-прежнему помещено в месте подключения нагрузки.

При /?н<р(б) режим схож с режимом короткозамкиутой линии. Волна напряжения отражается с изменением фазы на 180°, а волна тока -без изменения фазы. На нагрузке получаются минимальное напряжение и максимальный ток.

При комплексном сопротивлении нагрузки падающая и отраженная волны напряжения (тока) на нагрузке могут иметь сдвиг фаз в пределах 360°. Распределение амплитуд напряжения и тока вдоль линии зависит от знака и зиачеиип реактивной и активной составляющих сопротивления нагрузки. Но в любом случае напряжение и ток на нагрузке имеют промежуточные значения между максимальными и минимальными.

Во всех трех случаях отражение от конца линии неполное, амплитуда отраженной полны всегда меньше амплитуды падающей волны, поэтому в том месте, где должен быть узел, суммарное на-пряженпе (ток) не снижается до нуля, а равно разности амплитуд падающей и отраженной волн; точно так же в местах пучностей получается наибольшее значение напряжения (тока), равное сумме падающей и отраженной волн, но меньшее по значению, чем удвоенное значение падающей волны.

Для оценки режима в линии служит коэффициент бегущей волны

КБВ = UJU, = Ltn!Ima. = Лб-

В режиме бегущих волн КБВ-1, в режиме стоячих волн КБВ-0.

Иногда пользуются понятием коэффициента стоячей волны КСВ: КСВ-1/КБВ-Лст.

Входное сопротивление линии с ко.мбипировапиыми волнами носит комплексный характер, но значения активных и реактивных составляющих зависят от длины линии и от частоты распространяющихся колебаний. В точках минимального напряжения Rbx = = р/Сб, в точках максимального напряжения /?вх=р Сб. Для четвертьволновой линии, нагруженной активным сопоотивлением.

Применение. Как указывалось ранее, длинные линии можно использовать в качестве колебательных контуров с очень высокой добротностью - 1000 и более на частотах 300... 500 МГц. Чаще всего встречаются четвертьволновые короткозамкнутые отрезки, так как при резонансе токов они обладают минимальными раз-56

Рис. 2.15. Примеры нспользовапия длинных линии:

о-инолятор; б - трансформатор; в - шлейф; г - искусственная .1иния задержки

мерами. Их применяют в генераторах УКВ. На волнах дециметро-вош диапазона используются больше коаксиальные линпи, так как у двухпроводных расстояние между проводами становится соизмеримым с длиной волны, вследствие чего возникают потери на излучение. Настройка таких контуров осуществляется изменением длины линии путем перемещения закорачивающей перемычки в двухпроводных линиях или плунжера (поршня) в коаксиальных линиях.

С ростом частоты увеличиваются потери в диэлектриках, поэтому на сантиметровых и дециметровых волнах в качестве изолятора используется отрезок четвертьволновой и короткозамкиутой линии, входное сопротивление которой в точках а, б очень велико (рис. 2.15,а), благодаря чему энергия, передаваемая по фидеру, в изолятор не поступает. Такой металлический изолятор в диапазоне СВЧ намного превосходит по свои.м свойствам обычный диэлектрик. Недостатком металлических изоляторов являегся возможность использовать их только па одной длине волны.

Во многих радиопередающих и радиоприемных устройствах. самолетного оборудования антенна по конструктивным соображениям расположена на некотором расстоянии от передатчика или Приемника. Для передачи высокочастотных сигналов от передатчика к антенне и от антенны к приемнику используется длинная

5Т

линия, которая в данном случае называется фидером. Эффективность такой передачи обеспечивается малыми потерями в самом фидере и хорошим согласованием волнового сопротивления фидера с внутренним сопротивлением источника и с сопротивлением нагрузки. Если такого согласования нет, то в линии возникают отраженные волны, что резко ухудшает условия передачи и сни-жает КБВ.

На практике довольно часто встречаются случаи, когда волновое сопротивление фидера не равно сопротивлению нагрузки. Чтобы согласовать эти сопротивления, применяются трансформаторы сопротивлений с помощью линий. В качестве трансформатора может быть использована линия любой длины, но чаще применяются четвертьволновые трансформаторы, так как они обладают наибольшим коэффициентом трансформации и трансформируют активное сопротивление нагрузки в активное же входное сопротивление.

Предположим, что волновое сопротивление фидера меньше сопротивления нагрузки: рф<Лн. Для согласования рф и R , очевидно, необходимо между линией и нагрузкой включить повышающий трансформатор в виде отрезка линии длиной Х/4:

Rbx.tp = P%IRh = Рф,

где ртр - волновое сопротивление трансформатора

Из последнего равенства следует, что ртр=УЛирф.

Для выполнения этого равенства необходимо увеличить волно вое сопротивление трансформатора, для чего можно расстояние между проводами сделать больше. При этом увеличивается погонная индуктивность и уменьшается погонная емкость, следовательно, возрастает волновое сопротивление (рис. 2.15,6).

При наличии в нагрузке реактивной составляющей ее можно скомпенсировать с помощью отрезка короткозамкнутой линии - шлейфа, длина которого меньше или больше Х/4. Шлейф подключается к нагрузке и становигся эквивалентом некоторой дополнительной реактивной нагрузки, сопротивление которой подбирается равным по величине и противоположным по знаку сопротивлению нагрузки (рис. 2.15,е).

Длинные линии используются также в качестве линий задер-.жек импульсов на определенное время. Для получения большего времени задержки применяются искусственные линии задержки, состоящие из набора ячеек LC (рис. 2.15,г). Время задержки импульса, подаваемого на вход линии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ и ЗАДАЧИ

1. Какая линия называется длинной н какая короткой?

2. Как можно обеспечить режим бегущих ваш в длинной линии?

3. Чему равияетси волновое сопротивление линии в режиме бегущих волн?

4. В чем разница и сходство в режимах стоячих воли при /? =оо и Д„=0?

5. Почему сдвиг фаз . ежду напряжением н током в стоячей вачне равен 90°, а в бегущей - О?

6. Какие наименьшие отрезки длинной линии эквивалентны последователь-иому н параллельному колебательным контурам?

7. Чему равняется входное сопротивление отрезка разомкнутой линии дли-яоп Я/10, если р=300 Ом.

8. Когда КБВ равняется единице и когда нулю?

9. Зачем нужно согласовывать фидер с нагрузкой и как это делается?

2.3. ВОЛНОВОДЫ

Назначение и виды волноводов. С изобретением генератора сантиметрового диапазона волн - магнетрона, который очень широко стал использоваться в самолетных радиолокационных станциях, потребовались новые виды линий передач. Двухпроводные воздушные линии и коаксиальные кабели оказались непригодными, так как с укорочением длины волны потери в них сильно возросли, в двухпроводной линии - за счет излучения, в коаксиальном кабеле - за счет потерь во внутреннем проводе и потерь в диэлектрике.

Для передачи энергии сантиметрового диапазона волн стали применяться волноводы - полые металлические трубы круглого, прямоугольного или какого-либо другого вида сечения (рнс. 2.16).

4 = я1/Гс.

где Z. = Z.i = Z.2=, =Z-n; C=Ci-C2 =..... =С„; - Число ячеек.

.-58

Рис. 2.16. Фор.мы поперечного сечения некоторых волвоводов:

- круглый; б -

прямоугольный; в -

-Образный; г - -Образный