Ю О Коваль - Основи теорії кіл - страница 84

вх

Тн - Твх

І-Тз ^\

е  Тн - е Твх

-Тз

2 - Твх / Т^    Твх

1 -Твх / Тн

е

-е

/ твх -1

Отже, результат сходиться з відповіддю у прикладі 5.33.

н

вх

Т

Т

з

з

е

x

з

х

н

н

5.14 Застосування кіл з розподіленими параметрами

Основні застосування довгих ліній (без розгляду областей та особливо­стей практичного використання) зазначені у підрозд. 5.1. Окремі питання вико­ристання кіл з розподіленими параметрами розглянуто у підрозд. 5.9 (транс­форматори і способи узгодження ДЛ) і 5.11 (резонансні властивості відрізків ДЛ). У цьому, заключному, підрозділі стисло розглянуті питання практичного застосування кіл з розподіленими параметрами, оскільки докладно їх вивчають у спеціальних технічних дисциплінах.

5.14.1 Передача високочастотної енергії та радіосигналів

Це застосування кіл з розподіленими параметрами зазвичай пов'язують з термінами фідер (від слова feed - живити) або фідерна лінія. Прикладами ви­користання фідерів є антенно-фідерні пристрої (з'єднання передавальних і приймальних пристроїв з антеннами), міжблокові з'єднання, увімкнення до радіовимірювальних приладів тощо.

У діапазоні довжин хвиль до сантиметрових значень як фідери викори­стовують промислові радіочастотні кабелі, зазвичай коаксіальної конструкції (рис.5.2, б). На вищих частотах застосовують стрічкові лінії (рис.5.2, в) і хвиле­води.

Радіочастотні кабелі мають такі переваги:

1) порівняно малий рівень ослаблення і спотворення сигналів у відносно широкому діапазоні частот;

2) високі показники електромагнітної сумісності (ЕМС) з іншими при­строями (мале випромінення і надійне екранування);

3) простота конструкції та монтажу, що поєднується з широкою номенк­латурою та уніфікацією промислових зразків;

4) економічність.

Зважаючи на різноманіття літератури (у тому числі довідкової), присвяче­ної кабельній продукції, та постійне її вдосконалення, доцільно обмежитись розглядом лише деяких головних положень.

Конструюючи та експлуатуючи радіотехнічні пристрої та системи, слід враховувати класифікацію радіочастотних кабелів за основними ознаками (табл.5.48), а також їхні конструктивні та електричні параметри.

Для передачі високочастотної енергії та радіосигналів використовують коаксіальні та симетричні кабелі. Спіральні кабелі застосовують для затримки сигналів (див. п. 5.14.2).

До конструктивних параметрів належать: параметри внутрішнього прово­да (діаметр одножильного проводу або кількість жил і діаметр кожної - для ба­гатожильного); тип діелектрика і діаметр ізоляції; тип і матеріал зовнішнього провода; товщина і матеріал зовнішньої захисної оболонки; розрахункова по­гонна вага (г/м); мінімальні радіуси згину і намотування на барабан.

Таблиця 5.48 - Класифікація радіочастотних кабелів

Ознака

Різновиди

Загальна конструкція

Коаксіальна

 

Симетрична

 

Спіральна

Тип ізоляції

Суцільна

 

Напівповітряна (повітряно-пластмасова)

 

Повітряна

Тип зовнішнього провода (екрана)

Суцільний (трубка)

 

Одинарне оплетення

 

Подвійне оплетення

 

Обмотування пласкою стрічкою

Рівень потужності

Мала потужність - до 0,5 кВт

 

Середня потужність - до 5 кВт

 

Велика потужність - понад 5 кВт

Електричні характеристики радіочастотних кабелів:

1) хвильовий опір (у коаксіальних кабелів - 50 або 75 Ом; у симетричних - 75, 150, 200 Ом);

2) погонна ємність (у кабелів із суцільною ізоляцією - 50...100 пФ/м; з напівповітряною - 20.. .50 пФ/м);

3) відносна (до швидкості світла) швидкість поширення коливань (для кабелів із суцільною ізоляцією становить « 0,66);

4) погонне ослаблення (дБ/м або Нп/км ) на різних частотах;

5) показники ЕМС (наприклад, для коаксіального кабелю із зовнішнім оплетенням рівень випромінення становить близько 30 дБ);

6) максимальна робоча частота;

7) гранично припустимі значення напруг і струмів.

За необхідності слід враховувати зв'язок умов експлуатації кабелю (тем­пературний діапазон, тиск, рівень вібрації тощо) з його припустимими фізико-механічними характеристиками, які пов'язані з параметрами середовища.

Максимальна робоча частота визначається двома чинниками - припусти­мим ослабленням у робочому діапазоні частот і так званою критичною часто­тою, довжина хвилі якої сумірна з поперечним розміром кабелю. Для ко­аксіального кабелю критична частота визначається співвідношенням:

де с - швидкість світла у вільному просторі; сі, В - поперечні розміри

внутрішнього і зовнішнього провідників (рис.5.2, б); є - відносна діелектрична проникність ізоляції (див. табл.5.2).

У   кабелів   з   розподіленими   за   довжиною   елементами кріпленнявнутрішнього проводу (повітряна і напівповітряна ізоляції) частотний діапазон обмежений довжинами хвиль, сумірних з відстанню між елементами кріплення.

Для увімкнення кабелів до пристроїв та з'єднання між собою використо­вують з'єднувачі (спрощено їх ще називають рознімами та фішками). Існують з'єднувачі трьох типів:

1) вільні (кабельні), які монтують на кінцях кабелю;

2) фіксовані (приладові), які розташовані на пристроях;

3) перехідні, призначені для злучення і розгалуження кабелів. Геометричні розміри розніму мають відповідати розмірам кабелю. Щоб

забезпечити узгодження, величина хвильового опору з'єднувача має збігатися з хвильовим опором кабелю. Виходячи з умов експлуатації, вибирають конст­рукцію затискової частини з' єднувача (різьбова, байонетна тощо).

Для ослаблення сигналів без спотворення їхньої форми у пристроях пере­дачі використовують резистивні лінії, первинні параметри яких становлять:

Ь1 * 0; С1 * 0; Я1 ф 0; в1 ф 0,

а вторинні -

Отже, резистивні лінії мають практично активні хвильові опори, кінцеву (яка не залежить від частоти) величину погонного ослаблення і нульову за­тримку сигналів. Ці властивості обумовлюють застосування резистивних ДЛ як ослаблювачів (атенюаторів) сигналів. Аналогічні характеристики мають ате­нюатори (рис.5.87), які складені з активних опорів і забезпечують стрибко­подібне (дискретне) ослаблення.

Рисунок 5.87 - Схема дискретного атенюатора

5.14.2 Затримка сигналів

Часова затримка сигналів використовується у телевізійних приймачах, ос­цилографах, імпульсних пристроях, підсилювачах коливань НВЧ та ін.

Значення затримки порядка одиниць і десятків мікросекунд забезпечують коаксіальні та симетричні кабелі, однак через їхню велику довжину (погонна

затримка тз /І = 1 /V = ^Ь1Є1 * 5 нс/м) ефективніше застосовувати спіральні

кабелі (кабелі затримки). Для реалізації більших значень часу затримки роз­роблені ультразвукові та цифрові лінії.

Яскравим прикладом реалізації ефекту затримки сигналів є узгоджені (оп­тимальні) фільтри для обробки складних імпульсних сигналів, уперше застосо­вані в радіолокації, а згодом - в інших радіотехнічних системах для зв' язку, навігації тощо. Пріоритетні вітчизняні дослідження з розробки оптимальних фільтрів на базі коаксіальних кабелів, спеціальних спіральних ліній та ультразву­кових ліній затримки проведені під керівництвом Ширмана .

Спіральні кабелі мають внутрішній провід у вигляді спіралі. Переважно застосовують коаксіальні кабелі затримки (рис.5.88). Зовнішній провід викону­ють як оплетення або (щоб зменшити втрати) ізольованими провідниками, які спрямовано вздовж осі кабелю.

Рисунок 5.88 - Конструкція коаксіального спірального кабелю: 1 - осердя для внутрішнього провода; 2 - спіральний внутрішній провід; 3 - ізоляція; 4 - зовнішній провід (екран); 5 - зовнішня оболонка

Відмінною   особливістю   спіральних   кабелів   є   підвищена погонна індуктивність Ь1, яка перевищує цей показник для звичайних кабелів у тисячі

разів. Це забезпечує як спіралеподібний внутрішній провід, так і застосовані у деяких типах кабелів затримки як осердя 1 (рис.5.88) матеріали з підвищеною магнітною проникністю ц (магнітодіелектрики). Зниження товщини ізоляції 2 (рис.5.88) між внутрішнім і зовнішнім провідниками, а також збільшення площі між ними сприяють збільшенню погонної ємності с1.

Ширман Яков Давидовим (н. 1919 р.) - відомий вчений в області радіолокації, доктор технічних наук, професор. Закінчив Військово-повітряну академію ім. Мо-жайського та ад'юнктуру (військову аспірантуру). З 1949 р. працює у Харкові (Арти­лерійська радіотехнічна академія ім. Говорова, нині - Харківський військовий ун-т). Зробив значний внесок у теорію і практику сучасної радіолокації (складні сигнали та методи їхньої обробки, автокомпенсатори завад тощо). Удостоєний двох Державних премій. Автор кількох підручників і монографій. Засновник наукової школи, яка ви­ховала цілу плеяду вчених.

Збільшення як Ьх, так і С1 призводить до зменшення швидкості поширен­ня коливань і зростання погонної затримки до величин 0,1.. .3 мкс/м. За рахунок переважного збільшення Ь1 порівняно з с1 хвильовий опір зростає до 0,3...3 кОм. Змінюючи «крок» намотування, можна регулювати основні пара­метри - погонну затримку і хвильовий опір.

Порівняно зі звичайними у кабелів затримки менший робочий діапазон частот (до 10 МГц) і більше ослаблення (1..5 дБ/мкс). Для згаданих вище опти­мальних фільтрів розроблено спіральні лінії з більшим частотним діапазоном і меншими втратами. Спіраль у цих ДЛ розташована із зовні, а екран - у сере­дині. Цей прийом дозволяє виконувати довільне за рівнем і затримкою «зняття» сигналу за допомогою ємнісних або індуктивних давачів. У ХНУРЕ такі лінії використовуються у навчальному процесі при проведенні лабораторних робіт з дослідження ДЛ.

Як аналог кабелів затримки використовують змонтовані на елементах із зо­середженими параметрами так звані штучні лінії затримки. Спрощена схема такої лінії без елементів, які враховують втрати, зображена на рис.5.89. Час затримки штучної лінії затримки, яка містить п елементів, становить:

Рисунок 5.89 - Схема штучної лінії затримки

До спеціальних ліній затримки належать вельми технологічні розподілені я, С структури, які легко реалізовуються сучасними методами мікроелектроніки. Це ДЛ, у яких Ь1 * 0; g1 * 0, і тому їхні вторинні параметри

становлять:

V 2

* ^яЯТСєі=4®к\с\е

(1 + Т); а*р*

2

V = — *

2ю

ОД

хв

Яі

Я

1 е-]п/4

До відмінних особливостей Я, С ліній належать нелінійне змінювання швидкості поширення коливань від частоти та комплексний характер хвильово­го опору, який має постійне значення аргументу (-п / 4) і частотно залежний модуль.

Залежність від частоти швидкості поширення сигналу в лінії називають частотною дисперсією. Кола з частотною дисперсією, включаючи R, С лінії, використовують для формування і обробки складних сигналів.

Недоліком R, С структур є відносно велике ослаблення (при довжині лінії l = Х = 2п/в ослаблення становить al « 2п Нп або «55 дБ).

Кола затримки використовують також як фазообертачі. Затримці сину­соїдного коливання з частотою со на час t з відповідає його зсув за фазою на cot з. У ліній затримки без дисперсії (t з = const) фазовий зсув лінійно залежить від частоти, а у дисперсійних ліній ^ (со) є нелінійною функцією частоти.

5.14.3 Використання вибірних властивостей відрізків довгих ліній

Розглянуті у п. 5.11.3 - 5.11.5 вибірні властивості ДЛ в режимах коротко­го замикання, холостого ходу та навантаження на реактивність є теоретичним підгрунтям практичних застосувань ліній як резонансних контурів, смугових і загороджувальних фільтрів, ізоляторів, антенних комутаторів.

Резонансні контури. Головним достоїнством контурів у вигляді відрізків

ДЛ є те, що значення добротності близько 103...104 реалізуються у дециметро­вому діапазоні довжин хвиль. Щоб забезпечити низький рівень випромінення, використовують лінії коаксіального типу. Підстроювання поблизу резонансної частоти здійснюється пересувним поршнем або конденсатором змінної ємності.

Найбільшу добротність має контур, складений із замкнутого відрізку ко­аксіального кабеля довжиною l <Х / 4 як індуктивності та підстроювального конденсатора C. На рис.5.90, а зображена схема увімкнення такого контуру до

входу 2 дециметрового приймача; антенний кабель увімкнено до перерізу 1 контурного кабеля на відстані l1 від його замкненого кінця.

Еквівалентна схема розглянутої конструкції (рис.5.90, б) без урахування втрат відповідає складному паралельному контуру з розподіленою індуктивністю. До приймача з великим вхідним опором контур увімкнено повністю, а до антенного кабелю - частково з коефіцієнтом увімкнення

L~ = IK

p

Li + L2 Ч

L

т   я^р^   т  т   т яхі^р/

де   Ь1 -^;   Ь = Ь1 + Ь2 - - індуктивності, показані на

©0 ©0

рис.5.90, б; Яхв, р - відповідно хвильовий опір і коефіцієнт фази кабелю; ю0 -робоча частота.

Коефіцієнт увімкнення вибирають з умови узгодження антенного кабелю у перерізі 1:

Яхв = Р Ярез'

де Ярез - резонансний опір еквівалентного контуру, який визначають заформулою (5.154).

А*

1

1

/

► 2

а

б

Рисунок 5.90 - Схеми увімкнення коаксіального паралельного контуру:

а - принципова; а - еквівалентна

Використовуючи відрізки ліній як контури, слід запобігати впливу коли­вань кратних резонансних частот.

Смугові та загороджувальні фільтри. Тут використовують ті ж самі принципи побудови, що й у фільтрів на элементах ь, С [7, підрозд. 6.4].

Як приклад на рис.5.91 зображені принципові схеми Т—подібних смугово­го (рис.5.91, а) і загороджувального (рис.5.91, в) фільтрів. На рис.5.91, б, г пока­зано також еквівалентні схеми цих фільтрів на елементах Ь, С. Як паралельний і послідовний контури в них вибрано замкнені відрізки ліній відповідно довжи­ною X / 4 і X / 2.

Фільтри (рис.5.91) реалізують, застосовуючи симетричні лінії у подовж­ньому плечі (у ПФ - послідовний контур, у ЗФ - паралельний). Для побудови контурів у поперечному плечі можна використовувати симетричний або ко­аксіальний кабелі.

При реалізації Т—подібних фільтрів на відрізках ліній необхідно, як і у звичайних фільтрів, забезпечити режим узгодження та усунути паразитні взаємні зв'язки між лініями. В інших типах фільтрів, навпаки, елементи взаємного зв'язку (як зосередженого, так і розподіленого) необхідні для здобут­тя заданих характеристик. Це - фільтри, аналогічні зв'язаним контурам, а також фільтри із зосередженою селекцією.

Ізолятори. Як «металевий» ізолятор використовують замкнений відрізок лінії довжиною X / 4, що має тим більший вхідний опір, чим менші втрати в лінії. Такі ізолятори застосовують для кріплення провідників симетричної лінії (рис.5.92, а) та внутрішнього провідника коаксіального кабелю (рис.5.92, б). Оскільки на кінці замкненої лінії довжиною X / 4 існує вузол напруги, цей кінець має бути заземлений.

«Металеві» ізолятори на резонансній частоті мають кращі характеристики ніж діелектричні, однак є вузькосмуговими. При розстроєнні за частотою на 5 % відбувається різке зменшення вхідного опору X / 4-ізолятора.

^4

а

о^г>г^ |_|_| і^-уу^ч.

б

Рисунок 5.91 - Смугові та загороджувальні фільтри: а - СФ; б - еквівалентна схема СФ; в - ЗФ; г - еквівалентна схема ЗФ

X / 4

і-г

X / 4

і_і

X / 4

і_і

а

б

Рисунок 5.92 - Ізолятори з відрізків ліній: а - симетричної; б - коаксіальної

Антенні комутатори. В радіолокаційних та інших системах для ви-промінення та приймання сигналів використовують одну й ту ж саму антену. Для захисту приймального пристрою від потрапляння на його вхід потужних імпульсних сигналів, що випромінює передавач, використовують антенні кому­татори, до складу яких входять комутаційні елементи та відрізки ДЛ (рис.5.93), а іноді спрямовані відгалужувачі (рис.5.94).

и

В

К1 і

2

А

Х/2 Б

1

Рисунок 5.93 - Антенний комутатор: 1 - антена; 2 - приймач; 3 - передавач; К1, К2 - комутатори

Рисунок 5.94 - Спрямований відгалужувач

Як елементи комутації (К1 і К2 на рис.5.93) використовують газорозрядні вакуумні прилади (розрядники) і спеціальні діоди.

Під дією імпульсів, що випромінюються, елементи комутації замикають­ся. Внаслідок цього в схемі антенного комутатора (рис.5.93) вхід приймача 1 шунтується, а відрізок лінії довжиною X / 4 виконує роль ізолятора.

Після закінчення випромінення комутатори К1 і К2 розмикаються. Лінія довжиною X / 4 розмикається, що призводить до короткого замикання у пе­рерізі АБ на вході передавача 3 і перерізі ВГ, розташованому на відстані Х/2.

Це забезпечує проходження сигналів від антени 1 на вхід приймача 2.

Спрямовані відгалужувачі забезпечують передачу енергії або сигналів з однієї лінії до іншої тільки в одному напрямку. У відгалужувачі, показаному якприклад на рис.5.94, для цього служать дві точки зв'язку між лініями, позначені цифрами 1 і 2. Оскільки відстань між точками 1 і 2 становить X / 4, коливання з нижньої лінії проходять до точки 1 верхньої лінії у фазі, а до точки 2 - у проти-фазі. Отже, у верхній лінії енергія (сигнали) поширюється тільки у напрямку, позначеному стрілкою.

Подібні принципи покладено до основи побудови антенних комутаторів більш високочастотних діапазонів, де замість ДЛ використовують хвилеводи.

5.14.4 Трансформатори та узгоджувальні пристрої

Розглянуті у підрозд. 5.9 способи узгодження лінії з навантаженням і за­стосування відрізків ДЛ довжиною X / 4 як трансформаторів мають суттєвий недолік - вузькосмуговість. Цього недоліку позбавлені узгоджувальні пристрої і трансформатори, створені на базі неоднорідних ліній експоненційного типу (рис.5.95, а).

Ь Ь

0

Сі*

С10

0

Похожие статьи

Ю О Коваль - Основи теорії кіл

Ю О Коваль - Основи теорії кіл сигналів та процесів в системах технічного захисту інформації