ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

12-1. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Источник сверхвысокочастотной мощности соединен с нагрузкой (потребителем) линией передачи, по которой распространяется электромагнитная энергия. Широкое распространение получили двухпроводные (воздушные), коаксиальные, волноводные и полосковые линии передачи. Все линии передачи независимо от их конструкции являются цепями с распределенными параметрами и характеризуются индуктивностью емкостью сопротивлением и проводимостью на единицу длины.

Короткие отрезки линий с хорошим приближением можно считать линиями без потерь, и тогда их удобно характеризовать волновым сопротивлением и коэффициентом фазы (волновым числом)

Значение волнового сопротивления линии передачи определяется только ее конструкцией и не зависит от протяженности линии. В табл. 12-1 приведены некоторые сведения о распространенных конструкциях линий передачи энергии, о типах волн, в них распространяющихся, структуре электрического поля и волновом сопротивлении. Напомним терминологию, относящуюся к параметрам среды, использованную в таблице, и соответствующие

Таблица 12-1 (см. скан)

обозначения: абсолютная магнитная проницаемость среды; абсолютная магнитная проницаемость вакуума; относительная магнитная проницаемость; абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; относительная диэлектрическая проницаемость. В таблице использованы понятия длины волны в свободном пространстве и длины волны в волноводе

где — критическая длина волны волновода.

В практических конструкциях линий передач значение волнового сопротивления заключено в следующих пределах: в двухпроводных воздушных линиях 400—600 Ом; в коаксиальных 50 и 75 Ом; в волноводных 300—600 Ом; в полосковых симметричных 30—100 Ом, несимметричных — 20—75 Ом. Волновое сопротивление свободного пространства определяется формулой Ом.

Режимы работы линии передачи. Линия передачи конечной длины, нагруженная на сопротивление характеризуется коэффициентами отражения стоячей волны или бегущей волны Эта понятия вытекают из представления процесса распространения энергии от

генератора к нагрузке в виде двух бегущих волн напряжения, движущихся в противоположных направлениях с одинаковой скоростью. Волну, движущуюся от генератора к нагрузке, называют падающей волну, движущуюся от нагрузки к генератору, — отраженной

Коэффициент отражения характеризует степень согласования линии с нагрузкой и имеет вид

где расстояние от сечения линии, где включена нагрузка, до первого минимума напряжения в сечении линии по направлению к генератору; 9 — фазовый сдвиг между напряжениями падающей и отраженной волн.

Рис. 12-1. Распределение напряжения вдоль линии передачи в режиме бегущей волны

Вследствие противоположных направлений распространения падающей и отраженной волн и изменения фазового сдвига между ними вдоль линии устанавливается некоторое распределение напряжения (тока), амплитуды которого а минимальные значения или Коэффициент стоячей волны напряжения коэффициент бегущей волны напряжения В зависимости от характера и значения нагрузки в линии устанавливается один из трех режимов: бегущей волны, стоячей волны и смешанных волн. Здесь и дальше полагаем, что в начале линии включен генератор синусоидального напряжения с выходным сопротивлением равным волновому сопротивлению линии

Режим бегущей волны устанавливается при нагрузке линии активным сопротивлением, равным ее волновому: — т. е. когда осуществлено полное согласование. В этом режиме по линии распространяется поток энергии падающей волны, поглощаемый нагрузкой; отраженной волны нет. Напряжение и ток во всех сечениях линии изменяются по синусоидальному закону, и их амплитуды вдоль линии одинаковы (рис. 12-1). В режиме бегущей волны

Режим стоячей волны устанавливается при коротком замыкании линии при разомкнутой линии

и при нагрузке линии реактивным сопротивлением или

При коротком замыкании линии (рис. 12-2, а) амплитуда отраженной волны напряжения равна амплитуде падающей, а фаза отраженной волны противоположна фазе падающей, вследствие чего напряжение и ток в любом сечении линии различны и принимают значения от нуля (узел напряжения), до некоторого максимума (пучность напряжения).

Рис. 12-2. Распределение напряжения в линии передачи в режиме стоячей волны

В месте короткого замыкания образуется первый узел напряжения; затем узлы повторяются по длине линии в направлении к генератору через расстояния Первая пучность возникает в сечении и повторяется через При разомкнутой линии (рис. 12-2, б) картина аналогична предыдущей, с тем отличием, что в конце линии образуется пучность напряжения, а первый узел возникает в сечении

Если линия нагружена чисто реактивным сопротивлением, то при индуктивной нагрузке первый узел напряжения устанавливается на расстоянии от места включения нагрузки, а при емкостной — на расстоянии (рис. 12-2 в, г). В режиме стоячей волны

Режим смешанных волн устанавливается при нагрузке линии активным сопротивлением, не равным волновому

сопротивлению линии, или произвольным комплексным сопротивлением. В этом режиме амплитуда падающей волны больше амплитуды отраженной, энергия переносится в сторону нагрузки и часть энергии в ней поглощается. В линии устанавливается распределение напряжения, показанное на рис. 12-3 для различных нагрузок.

Рис. 12-3. Распределение напряжения вдоль линии передачи в режиме смешанных волн

Расстояние от нагрузки до первого минимума напряжения в этом режиме зависит от характера и значения нагрузки. В режиме смешанных волн коэффициент отражения и коэффициенты стоячей и бегущей волн могут принимать любые значения в следующих пределах;

Коэффициент отражения удобно выразить через волновое сопротивление линии и сопротивление нагрузки:

Модуль коэффициента отражения и коэффициенты стоячей и бегущей волн связаны между собой соотношениями

Из рассмотрения рис. 12-1, 12-2 и 12-3 следует, что по виду распределения напряжения вдоль линии можно определить характер полного сопротивления нагрузки и вычислить его значение из следующей формулы:

Подставляя вместо коэффициента стоячей волны коэффициент бегущей волны, получим

Выражения (12-5) и (12-5а) равноценны по точности результатов и трудоемкости вычислений. Часто пользуются нормированным значением сопротивления нагрузки

Необходимые для вычисления сопротивлений значения коэффициентов или и расстояние определяют по графикам распределения напряжения вдоль линии, аналогичным приведенным на рис. 12-2, 12-3. Данные для построения графиков получают в конкретной установке с помощью разработанной для этой цели измерительной линии.