2.1.3. Широкополосное согласование

Оптимальная электрическая характеристика устройства СВЧ обычно получается в том случае, когда на входе линии передачи сопротивление устройства равно волновому сопротивлению линии.

Удовлетворительное согласование в небольшом диапазоне частот легко получить 1174] с помощью сосредоточенных реактивных проводимостей [107] или четвертьволновых трансформаторов [58]. Более часто требуется работать в широкой полосе частот, и это достигается путем соответствующего расчета узла, использованием широкополосных линий передачи и применением широкополосного согласования. Были выполнены некоторые исследования в области согласования [24, 30, 50, 51, 153, 174].

Например, можно использовать такой согласующий элемент, который обладает не только требуемой реактивной проводимостью, но также точной частотной зависимостью [68, 123, 219, 220]. Если устройство согласовано на частоте то на более высокой частоте на линии можно найти такое положение, где полная проводимость равна Если элемент, резонирующий на частоте включить в линию параллельно, то на этой частоте такая комбинация будет неотражающей. Если выбрать надлежащим образом добротность элемента, то реактивная проводимость на частоте юг может быть сделана равной Так, например, как показано на рис. в диапазоне частот от до почти равен единице; для сравнения пунктирной линией показан КСВН для резонансного элемента.

В другом случае, представленном на рис. 2.3, б, узкополосное согласование дает кривую А, чувствительную к изменению частоты. Входная полная проводимость в другом сечении линии будет изображаться кривой В. Если теперь согласовать узел с помощью индуктивной реактивной проводимости, смещенной на расстояние немногим более, чем четверть длины волны, то, как показывают кривые в этом случае получается наименьшее изменение согласования с частотой. В некоторых случаях улучшение характеристики достигается за счет того, что согласующие элементы помещаются перед узлом и после него.

Согласование с помощью четвертьволновых трансформаторов получается широкополосным вследствие применения многих секций [148], расчетные таблицы для таких многозвенных трансформаторов приведены в работе [194]. Устройство является линейным, когда все скачки полного сопротивления равны, экспоненциальным, когда относительное изменение каждого скачка полного сопротивления равно постоянной величине, и биномиальным [61], когда скачки полного сопротивления пропорциональны коэффициентам биномиального ряда.

Биномиальный трансформатор работает в довольно широкой полосе частот и применяется часто. Однако, допуская некоторое рассогласование на центральной частоте, можно получить согласование на двух частотах, расположенных симметрично по обе стороны от центральной частоты; это дает еще более широкую полосу согласования [42]. Такой метод расчета можно распространить на согласующую цепь из N четвертьволновых трансформаторов, причем коэффициент отражения на N различных частотах делается

равным нулю. В такой чебышевской конструкции [120, 223) логарифмы отношений скачков полного сопротивления выбираются так, чтобы характеристика КСВН в полосе частот имела одинаковые выбросы.

Рис. 2.3. Методы широкополосного согласования: а — частотная характеристика КСВН при согласовании соответственно простой диафрагмой (узкополосное согласование) и резонансной диафрагмой (широкополосное согласование); б - согласование с помощью реактивной проводимости, расположенной на соответствующем расстоянии от нагрузки. Частота дана в гигагерцах.

Практические устройства рассмотрены в работах [36, 39, 175, 286].

Когда требуется получить хорошее согласование сопротивления [70] в широкой полосе частот, используются неоднородные линии передачи [94]. В работах [17, 131, 137, 138, 180] приведены некоторые приближенные решения сложных дифференциальных

уравнений. Болиндер, в частности, показал [25, 26, 217], что если трансформатор на дальнем конце согласован, то коэффициент отражения на выходе будет

Очевидно, что величина будет функцией отношения и ее можно рассматривать как преобразование Фурье для функции Интеграл от с пределами 0 и I всегда равен

Рис. 2.4. Преобразование сопротивления неоднородными линиями.

Отношение сопротивлений во всех случаях равио 2; а - картина отражения для экспоненциальной линии; б - коэффициент отражения бокового лепестка для различных распределений (См. (188].)

Одним из простейших примеров является экспоненциальная линия [67, 135, 181], для которой постоянная величина. В этом случае

Соотношение между представлено графически на рис. 2.4, а: диаграмма отражения имеет один главный лепесток и несколько боковых. Для широкополосного согласования боковые лепестки должны быть малы, а для того чтобы трансформатор не был слишком длинным, желательно, чтобы основной лепесток был узким. Следовательно, оптимальная неоднородная линия должна иметь такую диаграмму отражения, в которой ширина главного лепестка была бы минимальной, а боковые лейестки ничтожно малы.

Виллис и Синха [188, 189, 218] исследовали частную функцию для которая дает оптимальное соотношение между

Например, функция Гаусса Дает нулевые боковые лепестки, но так как функция исчезает только на бесконечности, она не приводит к практически приемлемому результату. Более хорошее решение получается в виде ряда, состоящего из постоянного члена плюс четные гармоники от хороший результат достигается при и

Коэффициент отражения падает до нуля при а первый боковой лепесток для отношения полных сопротивлений, равного 2, будет 0,002. Другие трансформаторы основаны на распределении по дуге полуокружности [217], по гиперболической [157] и параболической [193] линиям. На рис. сравниваются различные типы конических линий; абсциссы представляют собой минимальные величины для получения заданного коэффициента отражения. Широкополосные конические переходы минимальной длины получаются также на основе расчета по Чебышеву [167].