книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

Для средник частот рабочего диапазона трансформатора реак­ тивные сопротивления индуктивностей Ьк\, Ьх2пренебрежимо малы, а сопротивления индуктивности Д, и емкостей Сц, С22, С\2 велики, и если не считаться с потерями Г], г2, то входное сопротивление трансформатора оказывается чисто резистивным:

Л„х т*

При использовании трансформатора в качестве цепи согла­ сования с полезной нагрузкой генератора 7?„ величина сопротивле­ ния Квх, как уже отмечалось, должна быть равна требуемому значе­ нию сопротивления нагрузки в выходной цепи лампы или транзи­ стора Кос.

На нижней рабочей частоте генератора со„, как правило, долж­ но выполняться условие [9] со,, Д, > 3 Лвх. На верхней рабочей час­ тоте генератора шв должны выполняться условия 1/ю„ Сц > 3 Лвх, 1/(0в С22> 3 Кн. Необходимо также, чтобы резонансная частота цепи С|2, Д*|, ЬХ2

% = 1/ л/(Д.] + Д 2) С12

была существенно выше ю„.

Для расширения полосы пропускания трансформатора следует одновременно увеличивать Д, и уменьшать Д|, Д2, Сц, С22, С\2. Однако эти требования противоречивы и полосу пропускания ста­ раются расширить путем рационального конструирования транс­ форматора. В частности, для уменьшения межобмоточной емкости первичную и вторичную обмотки разделяют электростатическим экраном, соединяемым при монтаже с общим проводом (корпусом, землею) генератора [4, 7, 10]. Примеры и некоторые возможные ва­ рианты конструкций трансформаторов обмоточного типа с исполь­ зованием кольцевых ферритовых сердечников представлены в ра­ ботах [4, 5, 7, 9]. Используются как одиночные кольца, так и наби­ раемые из них трубки. В книге [11] даны варианты схем трансфор­ маторов обмоточного типа с разными коэффициентами трансфор­ мации, для разных нагрузок (несимметричных, симметричных) и расположение обмоток на тороидальном или трубчатом сердечнике.

Для расширения вверх рабочей полосы частот трансформатора обмоточного типа часто используют емкостную компенсацию ин­ дуктивностей рассеяния обмоток трансформатора [11], добавляя

Для трансформации относительно малых резистивных сопро­ тивлений в диапазоне частот от 0,1... 1 МГц до 100...300 МГц ис­ пользуют трансформаторы на линиях с определенным, заранее за­ данным волновым сопротивлением. При высокоомных нагрузках 50... 100 Ом верхняя рабочая частота у таких трансформаторов дос­ тигает 1...2 ГГц [9]. Верхняя частота полосы пропускания транс­ форматора на линиях ограничивается потерями в линиях, а также индуктивностями соединительных проводов (монтажа) [7, 9] (чем ниже сопротивление нагрузки, тем заметнее влияние сопротивле­ ний потерь в проводах линий и сопротивлений индуктивностей монтажных проводов). Трансформаторы на линиях имеют зачительно лучшие характеристики при резистивных нагрузках, чем трансформаторы обмоточного типа [6]. Кроме того, они могут быть реализованы на гораздо большие уровни мощности при использо­ вании линий без ферритового магнитопровода.

Транформаторы на линиях (ТЛ) рассматриваются в работах [4—7, 9-13]. Однако отдельные положения в них изложены недостаточно полно для понимания принципа работы различных схем ТЛ и их возможностей.

Представленный ниже материал в определенной степени ком­ пенсирует этот пробел.

1.2.1.ТРАНСФОРМАТОРЫ С КОЭФФИЦИЕНТОМ ТРАНСФОРМАЦИИ 1 :1

ИС ИНВЕРТИРОВАНИЕМ ФАЗЫ СИГНАЛА

Обычно принято [4, 5, 7] начинать рассмотрение принципа ра­ боты ТЛ с отрезка одиночной линии длиной I, нагруженного на со­ противление К„, равное волновому сопротивлению линии 20. Линия может быть любая: коаксиальная, двухпроводная, полосковая.

Отрезок линии, нагруженный на сопротивление Ка - 20, счи­ тается как ТЛ с коэффициентом трансформации 1:1 и практически неограниченной полосой пропускания. Как известно, отрезок в этом случае является согласованным с нагрузкой и при подключении ис­ точника сигнала (генератора) в отрезке устанавливается режим бе­ гущих волн напряжения и тока.

На рис. 1.3 показаны схемы такого ТЛ на несимметричной ли­ нии (рис. 1.3, я), например, коаксиальной, и на симметричной ли­ нии, например, двухпроводной (рис. 1.3, б). Источник сигнала пред­ ставлен генератором напряжения Е.

Если не считаться с потерями в проводах линии, то напряжения и токи на концах отрезка (рис. 1.3) связаны между собой уравне­ ниями длинной линии (см., например, [3, кн. 1, с. 160, уравнения

(4.149)]):

Ь = 1цнС08 р^ +Л11ц»/2о) 31П Р^;

Как видим, при согласованной нагрузке (Л„ = 2о) напряжение на выходе отрезка (на нагрузке) по величине такое же, как на входе, равное напряжению источника сигнала Е, и ток на выходе отрезка (ток через нагрузку) по величине такой же, как на входе, потреб­ ляемый от источника сигнала Е. Отличие только в том, что напря­ жение (ток) на выходе отрезка отстает по фазе от напряжения (тока) на входе на угол, равный электрической длине отрезка р^ = 2п1/Х = = со^/у, где (й - круговая частота сигнала; V - скорость распростра­ нения электромагнитной волны в линии.

Если 2о » гпог (гпог - сопротивление погонных потерь линии), то соотношения (1.4) справедливы практически в неограниченной полосе частот (ограничение может наступить раньше за счет возбу­ ждения в линии высших типов волн, что исключается в рабочей по­ лосе частот правильным выбором поперечных размеров линии (см. например, [3, кн. 1, с. 196]).

Если у ТЛ по схеме (рис. 1.3, а) соединить с корпусом (землею) вместо нижнего верхний полюс (конец) у сопротивления нагрузки /?„, как показано на рис. 1.4, то свойства ТЛ изменятся, прежде всего в отношении полярности входного и выходного напряжений отно­ сительно общего провода (земли, корпуса) устройства.

Глядя на схему рис. 1.4, нетрудно сделать заключение, что в рассматриваемом устройстве источник сигнала Е соединен двумя

у нагрузки Кн и источника Е противоположные полюса (концы) соединены с общей проводящей

поверхностью (землею, корпусом) устройства, для цепи по схеме рис. 1.4 следует предложить эквивалентную схему (рис. 1.5), кото­ рая совпадает с известной эквивалентной схемой отрезка двух свя­ занных линий со встречным расположением короткозамкнутых концов (см. [3, кн. 2, п. 4.16.2, рис. 4.112, с. 287]).

Такого результата следовало ожидать, так как, если схему (рис. 1.4) изобразить, как на рис. 1.6, то представленное устройство действительно можно рассматривать как отрезок двух связанных линий, образованных проводами 1, 2 с общей проводящей поверх-

ностью, у которых одни противоположные концы соединены с зем­ лею (корпусом), а к другим присоединены соответственно источник Е и нагрузка К„. Следовательно, для рассматриваемого ТЛ по схеме рис. 1.4 будут справедливы все соотношения, представленные в [3, кн. 2, п. 4.16.2] для варианта со встречным расположением ко­ роткозамкнутых на одном конце отрезков связанных линий. Из этих соотношений следует, что в схеме рис. 1.5 20{ = 2С|, 2оз = 2с2 - вол­ новые (характеристические) сопротивления соответственно ли­ ний 1, 2 при синфазном (четном) возбуждении от генераторов (ис­ точников) напряжения; 202 = Щг = 22с\2п\/(2с\ - 2п\) = 22с22п2/(2с2 - 2п2) - электростатическое характеристическое сопротивление связи линий 1,2; 2пЬ 2п2 - волновые (характеристические) сопротивле­ ния соответственно линий 1, 2 при противофазном (нечетном) воз­ буждении от генераторов (источников) напряжения (см. например, [3, кн. 2, п. 4.16.1, с. 267-280].

Рис. 1.5

Как отмечено в пособии [3, кн. 2], отрезок двух связанных ли­ ний со встречным расположением короткозамкнутых концов обла­ дает фазоинвертирующим свойством, следовательно, ТЛ по схеме рис. 1.4 является фазоинвертирующим.

1\{ —1> Ниже мы проведем анализ фазо­

1инвертирующего ТЛ по схеме рис. 1.4, исходя из представления его в виде отрезка двух связанных линий, чтобы

где Ш22 - электростатическое характеристическое сопротивление линии, образованной проводом 2 с общей проводящей поверхно­ стью в системе двух связанных линий, то у рассматриваемого ТЛ

ния на выходе рассматриваемого ТЛ не зависят от частоты, а фазы их по отношению к источнику сигнала Е запаздывают на угол, рав­ ный электрической длине отрезка Р^ (знак «-» перед Е в (1.7) ука­ зывает на фазовое инвертирование сигналов на входе и выходе уст­ ройства).

Соотношения (1.7) похожи на (1.4). Однако несмотря на внеш­ нее сходство соотношений, описывающих ТЛ 1:1 на согласованном отрезке линии и фазоинвертирующий ТЛ на отрезке такой же ли­ нии, между этими ТЛ есть принципиальные различия.

Во-первых, в ТЛ 1:1 сопротивление нагрузки Яи равно волно­ вому сопротивлению линии 2о; при реализации на отрезке такой же линии фазоинвертирующего ТЛ сопротивление нагрузки отличает­ ся от волнового сопротивления линии 2о и равно по величине элек­ тростатическому характеристическому сопротивлению одной из линий в системе двух связанных линий, к которой приводится взя­ тая одиночная линия (в наших обозначениях сопротивление нагруз­ ки Ян должно быть равно Ж22). Во-вторых, в ТЛ 1:1 величина на­ пряжения на выходе равна величине напряжения на входе (коэффи­ циент передачи по напряжению - единица), тогда как в фазоинвер­ тирующем ТЛ эти напряжения не равны и отличаются по величине в (й**22/ IVи) раз (в общем случае напряжение на выходе меньше на­ пряжения на входе, так как Ж22 < Щ2, т. е. коэффициент передачи по напряжению меньше единицы) В-третьих, если в ТЛ 1:1 имеет место режим бегущих волн, то в проводах линии фазоинвертирую­ щего ТЛ имеет место режим смешанных волн (последнее заключе­ ние можно сделать на основании эквивалентной схемы (рис. 1.5), согласно которой в короткозамкнутых отрезках будут явные режи­ мы стоячих волн, а в отрезке линии с волновым сопротивлением 202 = Щ2>поскольку он нагружается на комплексное сопротивле­ ние, определяемое параллельным соединением КИ= IV22 и короткозамкнутого отрезка линии с волновым сопротивлением 2оз = 2С, будет режим смешанных волн). Соответственно у ТЛ 1:1 входное сопротивление чисто резистивное и равно Кн= 20, а у фазоинверти­ рующего ТЛ входное сопротивление в общем случае будет комплексным.

Отличия от согласованного отрезка одиночной линии, подоб­ ные отмеченным выше, как в дальнейшем увидим, принципиально присущи всем схемам ТЛ, так как в каждом ТЛ непременно выде­ ляются один или несколько отрезков связанных линий Характе­ ристики связанных линий существенно отличаются от характери­ стик одиночной линии (см., например, [3, кн. 2]).

*Как ниже будет показано, возможна реализация фазоинвертирующего ТЛ

скоэффициентом передачи по напряжению, равным единице. Но это не снимает отмеченную особенность ТЛ.

**ТЛ относят к классу трансформаторов с электромагнитной связью между обмотками, образованными отрезками линий, тогда как рассмотренные в п.1.1 трансформаторы обмоточного типа относят к классу трансформаторов с домини­

рующей магнитной связью между обмотками [6, 7, 9]. Из работ (4-7, 9-13] только в [6] отмечается, что элементарный ТЛ анализируется как две сильно связанные, в частности идентичные линии, каждая из которых образована одним из проводов и общей землей.

при различных способах их соединения На основании уравнений связанных линий токи и напряжения на одних концах (обозначим их индексом I у линий 1, 2) связаны с токами и напряжениями на других концах (обозначим их индексом 0 у линий 1, 2) следующи­ ми соотношениями:

Условные обозначения токов и на­ пряжений для фазоинвертирующе­ го ТЛ, соответствующие (1.8), пока­ заны на рис. 1.7, являющемся, по су­ ти, повторением схемы рис. 1.6. На­ помним другие обозначения в (1.8): Жп, №22 - электростатические ха­ рактеристические сопротивления связанных линий; 2ом, 2о22 - элек­ тродинамические характеристиче­ ские сопротивления связанных ли­ ний; Щ2, 2<т ~ электростатиче­

ское и электродинамическое характеристические сопротивления связи линий.

Граничные условия на концах отрезков линий фазоинверти­ рующего ТЛ:

В приложении 1 приведен анализ фазоинвертирующего ТЛ с использовани­ ем режимов синфазных (четных) и противофазных (нечетных) волн, что позволяет глубже понять процессы в ТЛ.