Согласование сопротивлений в линии передачи.

На практике линия считается согласованной с нагрузкой, если коэффициент стоячей волны в ней не хуже 1,2, . Согласующие устройства должны обладать определенной полосой пропускания (узкой или широкой) и должны выполняться на отрезках линий с распределенными параметрами. Согласующие элементы можно классифицировать по полосе пропускания: узкополосные (девиация частоты ), широкополосные (девиация частоты ), сверхширокополосные (девиация частоты ). Сверхширокополосные называют также частотно независимыми.

Таблица. Классификация согласующих элементов по конструкции.

№ п\п	Название	Обозначение	Полоса
	Четвертьволновый трансформатор	тр-р	Узкополосный
	Двойной четвертьволновый трансформатор	тр-р	Широкополосный
	Экспоненциальная линия	EXP	Частотно независимый
	Шлейф	-	Широкополосный
	Многоступенчатые переходы		Частотно независимый

Согласование сопротивлений с помощью трансформатора.

Рис.20. Понижающий трансформатор и повышающий трансформатор.

При несогласовании нагрузки с линией передачи в л.п. появляются отраженные волны. Задача согласования – подавить отраженные волны. Этого можно добиться двумя способами: 1. компенсация отражения падающей волны; 2. недопущение появления отраженной волны (за счет подбора элементов линии передачи).

При использовании тр-р в сечениях a-a, b-b, c-c и d-d присутствуют неоднородности, следовательно появляются отраженные волны U₁ и U₂. Потребуем отсутствия отраженных волн U₁. Этого возможно добиться изменяя только одну величину: . Рассчитаем входное сопротивление тр-р, который нагружен на .

Подставим в формулу известные величины: .

Чтобы U₁ =0 необходимо, чтобы нагрузкой основной линии (основная линия нагружена на трансформатор) являлось .

Выводы: 1. Для компенсации отраженной волны необходимо, чтобы волновое сопротивление согласующего элемента являлось среднегеометрическим между сопротивлением основной линии и нагрузкой.

2. Линия передачи, работающая в режиме стоячих волн, не может быть согласованно согласующим устройством, так как если или , то волновое сопротивление должно быть равно 0 или . Реализовать л.п. с такими параметрами невозможно.

3. Рис.21. согласование сопротивлений тр-р осуществляется за счет непрерывного изменения напряжения и тока, а следовательно, и сопротивления .

Согласование сопротивлений с помощью трансформатора.

Рис.22.Повышающий трансформатор.

При использовании трансформатора допустим существование U₁,U₂, U₃, но за счет подбора волновых сопротивлений и потребуем, чтобы их амплитуды соотносились определенным образом: . Амплитудные соотношения отраженных волн определяются волновыми сопротивлениями и , а фазовые соотношения определяются расстояниями проходимыми волнами U₂, U₃ относительно сечения а-а.

Относительно сечения а-а волна U₂ проходит путь aa – bb – aa, длинна пути равна , за счет этого фаза измениться на . волна U₃ относительно сечения а-а проходит путь aa – bb – cc – bb – aa, длинна пути равна , и изменение фазы составляет .

Рассмотрим векторные диаграммы.

Рис.23.

При изменении изменяются фазовые соотношения, а амплитудные остаются прежними. Рассмотри случай, когда . При суммировании U₁ и U₃ очевидно, что суммирующий вектор будет противофазен U₂, но амплитуда будет немного отличаться. Чтобы линия считалась согласованной необходимо выполнение неравенства , при этом девиация частоты . То есть согласование сохраняется в широком диапазоне частот, а двойной трансформатор можно считать широкополосной системой.

Согласование сопротивлений с помощью экспоненциальной линии.

Линия называется экспоненциальной, если ее первичные параметры изменяются по закону .

Рис.24. Понижающая и повышающая экспоненциальные линии.

При x = l: L₁, C₁, .

Для произвольного сечения: , ,

.

Выводы: 1. Вслед за непрерывным изменением первичных параметров вдоль перехода меняется непрерывно, следовательно, отраженной волны не возникает.

2. не зависит от частоты, следовательно данный согласующий элемент является частотно независимым, и может работать в диапазоне частот от 0 до .

3. Техническое исполнение идеальной экспоненциальной линии в настоящее время невозможно. Поэтому, на практике на коэффициент b накладываются ограничения: .

Линия становится частотно зависимой, но технически реализуемая. К – КСВ без экспоненциальной линии.

Согласование сопротивлений с помощью шлейфов.

Шлейфы предназначены для компенсации реактивной составляющей нагрузки, трансформируемой в произвольное сечение х.

Рис.25.

Конструктивно последовательный шлейф выполнить сложнее, поэтому используется значительно реже. В шлейфах могут применяться отрезки разомкнутой и короткозамкнутой линии, но для разомкнутых характерны дополнительные потери (излучение из открытого торца). Поэтому, предпочтительно использовать короткозамкнутые шлейфы.

Рассмотрим короткозамкнутый шлейф с регулируемой длинной.

Рис.26.

При распространении энергии от генератора к нагрузке она доходит до сечения а-а, и часть ее распространяется к нагрузке, где частично поглощается, а часть энергии ответвляется в шлейф. Так как шлейф короткозамкнут в нем образуется стоячая волна. В результате основная линия от генератора до а-а работает в режиме бегущих волн, отрезок от а-а до нагрузки – в режиме смешанных волн, шлейф – в режиме стоячих.

Рассмотрим согласование с помощью шлейфа при условии что ().

Так как входное сопротивление отрезка от а-а до можно представить в виде графика входных сопротивлений для линии разомкнутой на конце, причем, чем R₂, тем допущение более справедливо.

Рис.27.

В произвольное сечение х шлейф должен вносить реактивность, равную по величине и обратную по знаку реактивности, вносимые нагрузкой. Проекции отрезков ОА, ОВ, ОС на ось х принято обозначать , , , – соответствует длине шлейфа, а так е длине отрезка от а-а до Z2. Так как в точках А, В, С реактивности шлейфа и линии равны по модулю и противоположны по знаку выполняется согласование.

В зависимости от рабочего диапазона частот в конкретном случае в качестве длинны шлейфа выбирается одно из значений , , и так далее, чтобы шлейф технически можно было реализовать. Как правило выбирается в метровом диапазоне, в дециметровом, в сантиметровом и так далее. Точный расчет длинны шлейфа осуществляется с помощью круговых диаграмм полных сопротивлений.