54. РЕГУЛИРУЕМЫЕ ТРАНСФОРМИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Часто бывает необходимым изменять величину полного сопротивления. Это относится, например, к случаю генератора с самовозбуждением, когда от значения сопротивления нагрузки, отнесенного к точке подключения генератора, зависит не только величина отдаваемой мощности, но и частота. Следовательно, для того чтобы такой генератор настроить на заданную частоту, необходимо иметь переменное трансформирующее устройство, позволяющее получать значения сопротивления нагрузки, соответствующие определенным точкам нагрузочной характеристики.

Применяя на практике трансформирующие устройства с фиксированной настройкой, обычно не удается осуществить хорошее согласование полных сопротивлений. Для получения качественного согласования и в этом случае приходится прибегать к регулируемым трансформирующим устройствам.

Для измерительных целей и при выполнении ряда исследований, например определении упомянутых выше нагрузочных характеристик генератора, также требуются регулируемые трансформирующие устройства. При этом может возникнуть необходимость трансформировать любое комплексное сопротивление в любое комплексное сопротивление (иногда даже при выполнении других условий, например фазовых). Следует отметить, что к трансформирующему звену не предъявляется очень высоких требований в отношении точности изготовления.

Последовательные и параллельные реактивные сопротивления. Принципиально для осуществления любой трансформации требуются, по крайней мере, два элемента регулировки, но и этого не всегда бывает достаточно. Так, например, с помощью переменного включенного параллельно реактивного сопротивления сопротивление нагрузки (рис. 54.1) можно трансформировать только в такие сопротивления, значения которых расположены на окружности проходящей через точку и касающейся мнимой оси в начале координат. В общем случае при использовании только одного элемента регулировки точка, соответствующая трансформированному значению, будет перемещаться лишь по одной вполне определенной кривой и только чисто случайно может оказаться, что именно на ней расположено то значение, которое необходимо получить в результате трансформации.

Иначе обстоит дело при одновременном использовании двух регулируемых реактивных сопротивлений, одно из которых включено параллельно, а другое последовательно (рис. 54.2).

С помощью этого устройства комплексное сопротивление (рис. 54.1) можно трансформировать в любое другое сопротивление значение которого находится вне окружности К.

Рис. 54.1. Трансформация, осуществляемая посредством реактивных сопротивлений (рис. 54.2), одно из которых включено последовательно, а другое параллельно. Сопротивление может трансформироваться только в такие сопротивления, значения которых находятся вне окружности К.

Рис. 54.2. Трансформирующее звено из двух переменных реактивных сопротивлений, одно из которых включено последовательно, а другое параллельно.

Окружность К о характеризуется тем, что она проходит через точку, определяющую действительную часть сопротивления и касается мнимой оси в начале координат. Чтобы показать, что посредством устройства рис. 54.2 сопротивление действительно можно преобразовать в сопротивление построим окружность проходящую через точку и касающуюся мнимой оси в начале координат. Тогда окружность (поскольку она проходит вне окружности ) пересечет проходящую через точку прямую в двух точках Регулируемое в любых пределах переменное последовательно включенное реактивное сопротивление можно выбрать так, что оно будет трансформировать сопротивление или и взять такое включенное параллельно реактивное сопротивление, что сопротивление или будет трансформироваться в Таким образом, существуют две возможности для согласования. Очевидно, что посредством устройства, изображенного на рис. 54.2, сопротивление нельзя

преобразовать в сопротивление, которое изображается точкой, расположенной внутри окружности К.

Переменные параллельные реактивные сопротивления, регулируемые в произвольных пределах (т. е. от до в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн проще всего осуществить в виде шлейфов с перемещаемыми короткозамьикателями. На рис. 54.3 показаны такие шлейфы для коаксиальной линии. Шлейф нулевой длины представляет собой нулевое параллельно включенное реактивное сопротивление. При увеличении длины шлейфа его сопротивление становится сначала индуктивным и, достигнув при величины изменяет знак, после чего оно растет от до нуля при при Из-за налитая паразитных полей в точке разветвления реальные шлейфы несколько отличаются <по длине от тех, которые входят в эквивалентную схему разветвления в виде шестиполюсиика (рис. Сказанное выше относится и к волноводам.

Рис. 54.3. Линия с двумя параллельно включенными шлейфами. Четырехполюсник, расположенный между точками для точки В эквивалентен последовательно включенному реактивному сопротивлению. Данное устройство соответствует схеме, представленной на рис. 54.2.

Двухшлейфовый трансформатор. Создание регулируемого в любых пределах последовательного реактивного сопротивления на первый взгляд кажется затруднительным. Однако в действительности, используя закон 28.2, можно создать такое сопротивление в виде параллельного шлейфа, дополненного четвертьволновым отрезком. При этом четырехполюсник, заключенный между точками (рис. 154.3), будет соответствовать регулируемому в каких угодно пределах последовательно включенному реактивному сопротивлению, а устройство в целом — схеме, представленной на рис. 54.2.

Пусть подключенное к этому устройству сопротивление нагрузки при переходе к точке А трансформируется в сопротивление (рис. 54.4). При перемещении короткозамыкателя точка, соответствующая входному сопротивлению в сечении опишет окружность касающуюся мнимой оси в начале координат. Четвертьволновый отрезок линии, расположенный между точками (рис. 54.3), обусловливает трансформацию, описываемую

дробно-линейной функцией. Если значение сопротивления нагрузки четырехполюсника, изменяясь, проходит по окружности, то значение входного его сопротивления также будет проходить по окружности. Сопротивление нагрузки, имеющее в точке А нулевое значение, в точку В трансформируется в бесконечно большую величину. Это означает, что окружность К (рис. 54.4) при переходе к точке В преобразуется в окружность, которая касается мнимой оси в бесконечности, т. е. фактически в прямую, параллельную мнимой оси.

Рис. 54.4. Трансформация, осуществляемая устройством, изображенным на рис. 54.3. Значение сопротивления нагрузки определяемое в точке А, при перемещении короткозамыкателя (рис. 54.3) проходит по окружности При переходе к точке В, удаленной на четверть длины волны, окружность преобразуется в прямую, параллельную мнимой оси. Поэтому линия со шлейфом, подключенным в точке А, действует как переменное последовательно включенное реактивное сопротивление.

Если в точке А сопротивление нагрузки равно то отрезком линии с волновым сопротивлением в точку В оно трансформируется в сопротивление и при перемещении поршня значение полного сопротивления в точке В линии будет перемещаться по прямой параллельной мнимой оси, проходящей через точку диаграммы

Если расстояние между шлейфами сделать не равным четверти длины волны, то, по существу, ничего не изменится. В этом случае нулевое сопротивление короткого замыкания, осуществляемого в точке А, будучи отнесенным к точке В, преобразуется не в а в какое-то другое сопротивление, определяемое точкой мнимой оси (рис. 54.5). При этом окружность проходящая через значение сопротивления нагрузки превратится в окружность К, которая касается мнимой оси в точке и проходит через точку изображающую трансформированное значение сопротивления . И в этом случае с помощью линии с двумя шлейфами сопротивление отнесенное к точке А (соответствующее сопротивлению в точке В), можно преобразовать, например, в сопротивление (рис. 54.5). Окружность проходящая через точку и касающаяся мнимой оси в начале координат, пересекает окружность К в двух точках Очевидно,

что шлейфом, включенным в точке А, сопротивление можно преобразовать в сопротивление или и с помощью шлейфа, подключенного в точке В, сопротивление или в требуемое сопротивление И в этом случае имеется окружность К, внутри которой значение сопротивления не может находиться. Окружность Ко характеризуется тем, что она касается как окружности так и мнимой оси, причем последней — в начале координат.

Таким образом, характерной особенностью устройств, представленных на рис. 54.2 и 54.3, является то, что хотя с их помощью в большинстве случаев и можно осуществить согласование, однако в комплексной плоскости всегда имеется окружность К, ограничивающая такие значения полных сопротивлений, которые нельзя получить в результате трансформации этими устройствами данного сопротивления нагрузки, т. е. этими устройствами невозможно осуществить любую трансформацию.

Рис. 54.5. Трансформация сопротивлений посредством устройства, взображеиного на рис. 54.3, при условии, что расстояние между точками отличается от В этом случае линия (рис. 54.4), параллельная мнимой оси, преобразуется в окружность, которая касается мнимой оси в точке с конечным значением В остальном этот случай не отличается от случая, показанного на рис. 54.1.

На рис. 54.6 в самом общем виде изображено переменное трансформирующее звено. Здесь последовательно включены два сложных устройства без потерь, каждое из которых эквивалентно реактивному сопротивлению или изменяющемуся в пределах от до Эквивалентная схема этого звена изображена на рис. 54.7. Если не учитывать идеальные трансформаторы, действие которых сводится только к изменению сопротивлений в определенное число раз, можно сказать, что эта схема аналогична устройству с двумя шлейфами при произвольно выбранном расстоянии между ними. Таким образом; невозможно создать устройство, соответствующее рис. 54.6, с помощью которого можно было бы осуществить согласование в любом случае.

Регулируемое Т-звено. Устройство, с помощью которого можно осуществить любую трансформацию,

необходимую для согласования, получается из устройства рис. 54.2 путем подключения дополнительного последовательного реактивного сопротивления так, как это показано на рис. 54.8. На дециметровых и сантиметровых волнах такую схему можно осуществить в виде «трехшлейфового трансформатора» (рис. 54.9), т. е. в виде трех ответвленных линий, расположенных вдоль главной линии передачи на расстоянии, равном одна от другой [43].

Рис. 54.6. Обобщенная эквивалентная схема трансформирующего звена с двумя переменными реактивными сопротивлениями. Всегда имеется окружность Ко (рис. 54.5), внутрь которой значение сопротивления нагрузки с помощью данного звена не может быть трансформировано.

Рис. 54.7. Эквивалентная схема устройства, представленного на рис. 54.6.

Рис. 54.8 Т-звено, составленное из переменных реактивных сопротивлений.

Рис. 54.9. Трехшлейфовый трансформатор. Для точки В это устройство соответствует схеме, представленной на рис. 54.8.

Входные сопротивления шлейфов пересчитанные в точку В, представляют собой переменные последовательно включенные реактивные сопротивления.

С помощью устройства, изображенного на рис. 54.8, любое комплексное сопротивление (рис. 54.10) можно трансформировать в любое другое комплексное сопротивление плоскости полных сопротивлений и тем самым обеспечить любую трансформацию, необходимую при согласовании.

Чтобы осуществить трансформацию сопротивления в сопротивление можно, например, с помощью последовательно включенного реактивного сопротивления или,

что то же самое, соответствующей длины шлейфа, подключенного в точке А (рис. 54.9), перевести значение сопротивления с помощью параллельного реактивного сопротивления перевести его в значение и затем [посредством второго последовательно включенного реактивного сопротивления перевести значение С помощью параллельно включенного реактивного сопротивления можно также трансформировать сопротивление в сопротивление и последнее, используя последовательно включенное реактивное сопротивление в сопротивление

Рис. 54.10. Трансформация, осуществляемая устройством рис. 54.9. Существует целый ряд способов преобразования произвольно выбранного комплексного сопротивления в другое сопротивление. Поэтому можно поставить дополнительное условие, например потребовать, чтобы фазовый сдвиг имел определенное значение.

Рис. 54.11. Трансформация, осуществляемая линией с тремя шлейфами в случае, когда расстояния между последними не равны

Очевидно, что Значение расположенное на линии параллельной мнимой оси, проходящей через точку можно выбирать каким угодно. Поэтому имеется бесконечное число возможностей трансформации сопротивления

Если расстояния между шлейфами не равны точно то получим несколько отличающийся случай. Линии, параллельные мнимой оси и проходящие через точки рис. 54.10, превращаются в окружности двух различных семейств, которые касаются мнимой оси в точках (рис. 54.11).

Из рис. 54.10 и 54.11 видно, что путем изменения

второго последовательно включенного реактивного сопротивления, т. е. с помощью третьего шлейфа можно получить значения сопротивлений, расположенные внутри окружности Ко, и фактически выполнить любую трансформацию, необходимую при согласовании. Так как и здесь существует бесконечное число возможностей, то в случае необходимости можно поставить дополнительное условие. Например, можно потребовать, чтобы потери активной мощности в трансформирующем звене, были минимальными или чтобы сдвиг фазы тока или напряжения лежал в определенных пределах. Можно также потребовать, чтобы и на другой частоте при неизменном положении регулирующих элементов согласование оставалось бы достаточно хорошим.

Потери активной мощности в трансформирующем звене можно сделать минимальными, если устранить возможность резкого увеличения токов и напряжений. Это означает, что длина каждого из шлейфов, показанных на рис. 54.9, должна значительно отличаться от нуля и так как при этих значениях входное сопротивление шлейфа очень мало и протекающий на его входе ток становится очень большим. Увеличение длины шлейфа до. значений, больших при трансформации не требуется и приводит только к дополнительным потерям активной мощности.

Сдвиг фазы тока, который на диаграмме трансформации полных сопротивлений (рис. 54.10) можно определить, исходя из угла поворота указывающей направление стрелки, в случае схемы, представленной на рис. 54.8, зависит только от величины параллельно включенного реактивного сопротивления. Сдвиг фазы равен половине центрального угла соответствующего части окружности трансформации, заключенной между точками Если точку например, при положении точек показанном на рис. 54.10, выбрать так, чтобы диаметр окружности трансформации уменьшился, тоща и сдвиг фазы также уменьшится и наоборот. Следовательно, путем подбора с помощью геометрических построений можно дополнительно добиться заданного значения сдвига фазы.

Настрой! схему так, чтобы она обладала определенной частотной зависимостью довольно трудно. Один из способов такой настройки будет описан ниже.

Другой тип регулируемого трансформирующего звена можно получить из двух- или трехшленфового трансформатора, заменив шлейфы на штыри, погружаемые на ту или

иную глубину в линию (рис. 54.12). Последние также представляют собой переменные параллельно включенные реактивные сопротивления, пределы изменения которых, однако, ограничены.

Петли и штыри связи в двухпроводных линиях. В качестве трансформирующего звена часто применяется устройство с двумя петлями связи, расстояние между которыми изменяется (рис. 54.13). Так как в этом случае существует только одна возможность регулировки, то трансформированное сопротивление может изменяться только в соответствии с одной определенной кривой и полное согласование возможно лишь в редких случаях. Петли связи вместе с подключенными к ним отрезками линии можно рассматривать как линейный трансформатор, коэффициент трансформации которого изменяется при изменении расстояния между петлями.

Рис. 54.12. Регулируемые штыри, расположенные на расстоянии друг от друга. Устройство соответствует схеме рис. 54.2 во всех отношениях, кроме того, что величина изменения реактивных сопротивлений здесь ограничена.

Рис. 54.13. Устройство для осуществления переменной связи, посредством двух петель, к одной из которых параллельно подключен конденсатор.

Очень слабая связь между петлями соответствует очень большому значению При сильной связи значение коэффициента трансформации стремится к единице. Таким образом, на сверхвысоких частотах несколько отвлеченные представления сильной и слабой связи можно конкретизировать, оценивая степень связи с помощью коэффициента трансформации линейного трансформатора. Это относится, конечно, не только к петлям связи, но и к любому другому виду связи.

Другую возможность регулировки можно получить, подключив параллельно одной из петель связи переменпую емкость С. Однако и с помощью такого устройства не всегда можно обеспечить полное согласование. Поясним это, полагая для простоты, что параллельная емкость подключена как раз к зажимам трансформатора,

соответствующим малому значению относительного сопротивления. Сопротивление R (рис. 54.14) с помощью этой емкости можно трансформировать в сопротивления, значения которых расположены на дуге К, а последние посредством линейного трансформатора (т. е. петли связи с подключенными к ним отрезками линии) — в значения заштрихованной на рис. 54.14 области. Следовательно, сопротивление с помощью данного устройства нельзя преобразовать в сопротивление значение которого расположено вне заштрихованного участка.

Рис. 54.14. Трансформация, осуществляемая устройством, изображенным рис. 54.13.

Рис. 54.15. Штырь связи, используемый в качестве линейного трансформатора.

В случае, показанном на рис. 54.14, для упрощения предполагается, что зажимы трансформатора три сильной и слабой связи остаются в одном и том же положении, что, вообще говоря, неправильно; кроме того, вряд ли возможна и такая сильная связь, чтобы коэффициент трансформации уменьшился до 1. Таким образом, в действительности заштрихованная область должна иметь несколько иные очертания.

Вместо петель связи часто применяются штыри связи (рис. 54.15). Их вместе с соответствующими отрезками линии также можно рассматривать как линейные трансформаторы. Для них справедливо все, что было оказано ранее о петлях связи.

При использовании петель и штырей связи в большинстве случаев получаются большие значения коэффициентов трансформации. При этом, как говорилось выше, могут резко возрастать токи, и напряжения. Учитывая это, петли связи располагают по возможности ближе к пучностям тока, а штыри связи — к пучностям напряжения. При наличии пиков тока и напряжения наблюдаются значительные потери активной мощности. Поэтому петли и штыри связи применяют обычно тогда, когда

необходима сильная трансформация, а величина потерь не является существенной.

Раздвижные однородные линии. На рис. 54.16 и 54.17 изображены регулируемые устройства, которые могут применяться во многих случаях. Здесь показаны коаксиальные варианты, однако, аналогичные устройства осуществимы также и в случае других однородных линий.

Шлейф В можно рассматривать как переменное параллельное реактивное сопротивление, которое совместно с соответствующими отрезками линии, представляет собой линейный трансформатор с коэффициентом трансформации, изменяющимся в пределах от до

Рис. 54.16. Шлейф и раздвижная линия.

Рис. 54.17. Шлейф, помещаемый вдоль однородной линии.

Длина линии А должна изменяться по крайней мере в пределах половины длины волны. С помощью такого устройства любое комплексное сопротивление нагрузки можно трансформировать в волновое сопротивление (Однородной линии. Так, например, если сопротивление обусловливает в линии А КСВН, равный то длина шлейфа В выбирается так, чтобы он представлял собой линейный трансформатор с коэффициентом трансформации а длина линии А регулируется таким образом, чтобы минимум напряжения совпал с соответствующими меньшему значению относительного сопротивления зажимами трансформатора. Процесс согласования можно истолковать иначе, используя рис. 54.18. Очевидно, что посредством параллельно включенного реактивного сопротивления, вносимого шлейфом, любое сопротивление, значение которого расположено на окружности может трансформироваться в волновое сопротивление Значение любого сопротивления нагрузки при перемещении вдоль линии с волновым сопротивлением проходит по окружности трансформации которая пересекает окружность в двух точках

При определенной длине линии А входное сопротивление находиться как раз в месте включения параллельного реактивного сопротивления, которое трансформирует его в сопротивление

Очевидно, что для трансформации, при которой обеспечивается полное согласование, достаточно, чтобы величина параллельного реактивного сопротивления изменялась в пределах от нуля до

Таким образом, с помощью устройства, изображенного на рис. 54.16, любое сопротивление может быть трансформировано в любое другое сопротивление, значение которого лежит в пределах заштрихованной области (рис. 54.19).

Рис. 54.18. Диаграмма трансформации, осуществляемой устройством, показанным на рис. 54.16.

Рис. 54.19. Область сопротивлений, в которую можно трансформировать сопротивление с помощью устройства рис. 54.16.

Трансформация в любое другое комплексное сопротивление расположенное вне этой области, возможна, если устройству придать, например, вторую раздвижную линию.

Раздвижная линия (рис. 54.16) вследствие неизбежного изменения поперечного сечения имеет волновое сопротивление, несколько отличающееся от волнового сопротивления основной линии. На практике при согласовании это в большинстве случаев не имеет значения и требует только некоторой коррекции положения элементов. Если, однако, это нежелательно, то можно сконструировать коаксильную раздвижную линию с постоянным волновым сопротивлением так, как это показано на рис.

На рис. 54.21 изображено регулируемое трансформирующее устройство, которое по принципу действия

аналогично устройству, показанному на рис. 54.17. Оно состоит из штыря, глубина погружения которого в однородную линию может изменяться, при этом сам штырь может одновременно перемещаться вдоль линии. Изменением глубины погружения штыря можно регулировать величину параллельно включенного сопротивления, а его перемещением вдоль линии добиваться того же эффекта, что и изменением длины линии в случае, показанном на рис. 54.16.

Трансформирующие звенья, перемещаемые вдоль линии. На рис. 54.22 показано трансформирующее устройство для очень коротких волн. Это устройство выполнено в виде двух одинаковых трансформирующих звеньев перемещаемых вдоль однородной линии по шлицу [43].

Рис. 54.20. Раздвижная коаксиальная линия с постоянным волновым сопротивлением.

Рис. 54.21. Регулируемый трансформирующий штырь, перемещаемый вдоль линин.

Рис. 54.22. Устройство с двумя трансформирующими звеньями перемещаемыми вдоль линии. Изменением расстояния между ними можно установить любой коэффициент трансформации в пределах от до коэффициент трансформации каждого из звеньев). Любое сопротивление, при котором меньше с помощью этого устройства может быть преобразовано в волнозое сопротивление линии.

Каждое из этих звеньев вместе с соответствующими отрезками линии представляет собой линейный трансформатор с коэффициентом трансформации Устройство в целом эквивалентно линейному трансформатору, коэффициент трансформации которого К в зависимости от расстояния между звеньями может изменяться в пределах от до Согласование комплексного сопротивления нагрузки с волновым сопротивлением основной линии (оно возможно при

коэффициенте стоячей волны по напряжению можно производить следующим образом. Сначала путем изменения расстояния между обоими трансформирующими звеньями устанавливается коэффициент трансформации Затем трансформирующие звенья, удерживаемые стержнем С на этом расстоянии друг от друга, перемещаются совместно и устанавливаются так, чтобы зажимы трансформатора с малым значением относительного сопротивления оказались в минимуме напряжения.

С помощью этого устройства любое комплексное сопротивление, значение которого лежит внутри проходящей через точки окружности постоянного рассогласования может трансформироваться в сопротивление

Основным достоинством такой конструкции является то, что при ее использовании удается избежать всякого рода контактов, которые часто обусловливают активные потери. Трансформирующие звенья можно полностью изолировать от основной линии, используя керамические штифты Если необходимо осуществлять малые трансформации, то трансформирующие звенья можно выполнить из диэлектрика, например, из полистирола. Такое устройство особенно удобно использовать для устранения небольших рассогласований, вызванных неточностью изготовления. В этих случаях трансформации обычно настолько малы, что, осуществляя необходимые перемещения, можно почти всегда получить хорошее согласование. При этом получаются малые потери активной мощности и небольшая частотная зависимость.

Выше было приведено лишь несколько примеров. Однако на основе этого нетрудно будет понять принцип действия и любого другого трансформирующего устройства.