Линии передачи, предназначенные для канализации энергии СВЧ сигналов от генератора к нагрузке, работают наилучшим образом только в определенном режиме – режиме согласования. Для анализа оптимальности передачи энергии от генератора в нагрузку рассматривается следующая схема (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Схема передачи энергии СВЧ

Генератор напряжения с э.д.с. (Э) и внутренним сопротивлением
посредством линии передачи с волновым сопротивлениемz В и постоянной распространения связывается с нагрузкой, имеющей сопротивление
. В общем случаеZ н  Z г  Z В , так что в линии передачи существуют отраженные волны.

Устранение отраженных волн достигается, например, путем создания дополнительных волн, отражающихся от согласующего устройства. Эти волны должны интерферировать, для чего требуется обеспечить равенство их амплитуд и сдвиг фаз на 180 о. Регулировка трансформаторов сводится к созданию условий, необходимых для полного погашения отраженных волн.

Согласование лини передачи означает настройку этой линии на режим бегущей волны. Рассмотрим, какие преимущества имеет согласованная линия в сравнении с несогласованной.

Максимальная отдача мощности генератора в нагрузку

Если линия передачи имеет нулевую длину L=0 (нагрузка подключена к выходу генератора), то мощность, выделяемая на активном сопротивлении нагрузки r н , равна

, (2.29)

откуда получается максимальная отдача мощности в нагрузку

. (2.30)

Таким образом, при комплексном внутреннем сопротивлении генератора нагрузка должна иметь реактивную часть, противоположную по знаку реактивности сопротивления генератора. Однако если генератор имеет чисто активное сопротивление
, максимальная отдача мощности в нагрузку получается при чисто активном сопротивлении нагрузки

В дальнейшем будем предполагать, что генератор с линией передачи согласован, т.е. условие (2.30) выполняется.

Определим, какая часть мощности выделяется на активном сопротивлении нагрузки, если Z н  Z В . В этом случае от нагрузки имеется отраженная волна. Если линия передачи не имеет потерь, то активная мощность в любом сечении линии, в том числе и на нагрузке, одинакова. Например, в пучности напряжения она равна

, (2.31)

откуда
,

где Р пад – мощность, проходящая по линии передачи в режиме бегущей волны.

Используя соотношения для К СВ можно записать мощность передаваемую в нагрузку в зависимости отКСВ

. (2.32)

Таким образом, если линия передачи не согласована с нагрузкой, часть мощности генератора отражается и отдача в нагрузку в соответствии с соотношениями (2.31) и (2.31) не максимальна.

Максимальный коэффициент полезного действия линии передачи

Предположим, что линия передачи имеет потери, характеризуемые коэффициентом затухания  . КПД линии передачи определяется как отношение мощности в концеР н к мощности в начале линииР 0

.

Мощность в начале линии (в сечении 1) рис.2.11равна

а на нагрузке (в сечении 2)

Используя эти условия, получим зависимость КПД линии передачи от величины модуля коэффициента отражения в виде

(2.33)

При Г=0 КПД максимален и равен

. (2.34)

С увеличением отражения КПД уменьшается, причем особенно сильно для больших значений

Для пропускаемой линией передачи активной мощности в пучности напряжения можно записать

. (2.35)

Если предельное напряжение U пред (или предельная мощность
) в линии задано, то оно будет определяться величиной напряжения в пучности
. Поэтому из (2.35) получаем

(2.36)

В результате, пропускаемая мощность уменьшается в   1 раз.

Рассмотрим методы построения согласующих устройств.

Общие принципы согласования нагрузки с линией передачи

Независимо от характера и типа согласующего устройства, а также полосы частот, в пределах которой сохраняется согласование, схема согласования имеет вид рис. 2.12.

Назначение согласующего устройства – устранить отраженную от нагрузки волну. Эту задачу решают двумя различными методами:

 путем поглощения отраженной волны в согласующем устройстве. При этом падающая волна проходит через согласующее устройство практически без потерь.

путем создания в линии передачи с помощью согласующего устройства еще одной отраженной волны, амплитуда которой равна амплитуде волны, отраженной от нагрузки. Фазы обеих отраженных волн отличаются на 180 0 . В результате отраженные волны компенсируют друг друга.

Первый метод согласования основан на применении либо мостовых схем, либо невзаимных устройств.

Согласующее устройство второго типа обычно состоит из реактивных элементов и практически не вносит потерь. Оно позволит получить входное сопротивление на стыке с линией, равное волновому Z вх =Z В . В результате, в линии, левее места стыковки образуется бегущая волна.

Узкополосное согласование (УС). В задаче узкополосного согласования согласующие элементы строят из соображения получения полного согласования (Г=0) на одной фиксированной частоте. Степень согласования линии передачи с нагрузкой оценивается по характеристике согласования, которая представляет собой зависимость модуля коэффициента отражения от частоты . Полоса УС равна нескольким единицам процентов от  0 .

С энергетической точки зрения наибольший интерес представляет согласование с помощью недиссипативного четырехполюсника. Согласующее устройство должно обладать свойствами идеального трансформатора, преобразующего высокочастотные напряжения, токи и полные сопротивления из одного сечения в другое без внесения активных потерь. Такими трансформаторами могут быть индуктивные, емкостные диафрагмы и другие неоднородности, включаемые в линию.

Методика УС заключается в следующем. Проводимость нагрузки выражается через активную и реактивную проводимости

, (2.37)

где G н 0, с помощью отрезка линии длинойl трансформируется в проводимость Y 1, активная часть которой равна волновой проводимости линии, т.е.

. (2.38)

Реактивную часть проводимости Y 1 компенсируют путем параллельного включения в линию равной по величине и противоположной по знаку реактивной проводимости (-iB 1). В результате входная проводимость нагрузки на зажимах11 (рис.2.13) становится чисто активной и равной волновой проводимости, т.е. линия нагружается на сопротивление, равное ее волновому сопротивлению, что соответствует идеальному согласованию. Заменив везде термины проводимость на сопротивление можно придти к схеме согласования, где компенсирующее реактивное сопротивление (-iX ) включается в линию последовательно.

Рассмотрим наиболее распространенные типы трансформаторов полных сопротивлений.

Реактивные шлейфы. Отрезок линии передачи с режимом короткого замыкания или холостого хода в сечении нагрузки. Из формул трансформации (2.18) и (2.19) следуют формулы реактивных сопротивлений и проводимостей шлейфов:

, (2.39)

. (2.40)

Отрезки короткозамкнутых линий с длиной менее полуволны часто используют в качестве согласующих элементов, а также в качестве элементов колебательных контуров с распределенными параметрами. Разомкнутые отрезки применяют значительно реже. Причем в полых волноводах и многих других линиях передачи режим холостого хода нежелателен из-за интенсивного излучения выходного отверстия.

Диафрагмы в волноводах. Тонкая металлическая пластина с отверстием, помещенная в сечении волновода, называется диафрагмой. Диафрагмы используют как реактивные элементы для согласования сопротивлений.

На рис. 2.14?,а схематично изображена симметричная диафрагма в волноводе прямоугольного сечения. Диафрагма имеет прямоугольное сечение с размерами а / и b. Для волны Н 10 диафрагма возмущает магнитное поле, и поэтому данная неоднородность может быть представлена в виде индуктивности (рис. 2.14,a). Диафрагма носит название индуктивной. Относительную величину реактивного сопротивления можно вычислить по следующей приближенной формуле

(2.41)

На рис. 2.14,b изображена емкостная симметричная диафрагма и ее эквивалентная схема для Н 10 волны. Диафрагма такой конфигурации сильно возмущает электрическое поле волны. Относительное значение нормированной проводимости приближенно выражается так:

, (2.42)

где Y B =1/ Z B – волновая проводимость.

До сих пор мы рассматривали только длинные кабели. Однако особенность длинной линии в том, что ее волновое сопротивление не зависит от длины. Переводя на человеческий язык: даже используя короткий кабель, нельзя расслабляться.

Уберем 20-метровый кабель, заменим его полуметровым куском и измерим задержку распространения сигнала:

Рисунок 12. Задержка распространения в 2,3-метровой линии (сверху - вход, снизу - выход)

Ожидаемая задержка в кабеле длиной 4×0,5 м должна быть примерно 10 нс, но измерения показывают значение, далекое от расчетного. Этому есть несколько объяснений:

• провода щупов имеют разную длину: 1.6 нс ошибки;
• разъемы подсоединены к плате проводам длиной 15 см: два раза по 0,75 нс;
• фиолетовый провод от драйвера к кабелю (рис. 5, слева) имеет длину 10 см: еще 0,5 нс ошибки;
• скорость сигнала в кабеле меньше, чем 2/3 скорости света. В соответствии со спецификацией на кабель, около 0,64·с: 4% ошибки;
• витая пара имеет большую электрическую длину, чем сам кабель, из-за того, что проводники идут по спирали: количественная разница неизвестна.

Суммируя эти ошибки, кроме последней, и принимая длину кабеля вместе с выводами (будет 2,3 м), получаем расчетную задержку 12,7 нс, что соответствует длине линии 2,4 м. Уже гораздо ближе к реальности.

Что произойдет, если передать по этой не-очень-длинной линии сигнал частотой 100 кГц?

Рисунок 13. Кабель 2,3 м, сигнал 100 кГц, сильноточное питание линии.

Ответ: если не согласовать кабель, будет много высокочастотного «звона».

Как видно из рисунка 13 (справа вверху), на выходе появляется много шума после каждого фронта. Этот шум - не что иное, как сигнал, который гуляет по кабелю туда-сюда, многократно отражаясь от его концов.

2,3-метровый кабель имеет то же волновое сопротивление, что и 80-метровый. Звон практически исчезает, если подключить сопротивление 100 Ом, это означает, что энергия, поступившая в кабель, свободно из него выходит.

Повторение эксперимента на более высокой частоте позволяет лучше понять причину «звона»:

Рисунок 14. Кабель 2,3 м, сигнал 1 МГц, сильноточное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева - вход, справа - выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева - вход, справа - выход

В нетерминированной линии возникают резонансные колебания. Верхняя правая осциллограмма на рисунке 14 это показывает. В данном случае ни один из концов линии не согласован. Энергия, поступившая в кабель, отражается от его конца, движется обратно к началу и отражается снова. Это приводит к возникновению резонансной волны в кабеле. Эта волна будет существовать, пока вся ее энергия не рассеется благодаря затуханию в кабеле.

Частота резонанса, согласно рисунку 14, составляет примерно 20 МГц. Причина того, что частота именно такая, заключается в длине кабеля. Задержка распространения сигнала, как было измерено раньше, 12,7 нс. Период резонансных колебаний - 50 нс, то есть почти ровно в 4 раза больше, плюс-минус погрешность измерений.

Частота резонанса соответствует длине волны сигнала (обозначается буквой «лямбда»: λ). Можете представить себе этот «звон» как стоячую волну в кабеле (стоячая волна - суперпозиция двух встречно направленных бегущих волн. - Прим. перев. ) . Когда вы возбуждаете колебательную систему, она будет резонировать на частоте, где длина волны соответствует длине кабеля. Для резонанса нужна длина 1/4 λ или более высокий обертон. Полезный совет: не позволяйте вашим линиям вот так «звенеть», это может повредить схему.

Выходное напряжение при правильном согласовании (рис. 14, внизу справа) составляет «нормальные» 5 В. В отличие от 80-метрового кабеля, тут сопротивление линии постоянному току очень мало (около 0,86 Ом). Таким образом, эффект делителя напряжения, заметный на длинном кабеле, здесь выражен не так сильно. Тем не менее, входной и выходной проводники земли, по-прежнему, не одна и та же точка, и нужно избегать их соединения.

Восстановление сигнала

Послать сигнал в кабель - это только полдела, нужно еще выходной сигнал превратить обратно во что-нибудь понятное. Вот три основных проблемы с сигналом после прохождения через длинную линию:

1. безобразные фронты сигнала;
2. нарушение баланса сигнала;
3. смещение уровня земли.

Первая проблема решается добавлением буфера. Этот буфер должен содержать триггер Шмитта , чтобы избежать возможных неопределенных состояний при передаче сигнала.

Вторая часть чуть более сложная. Баланс сигнала в цифровой технике имеет отношение к тому, что будет интерпретироваться как «0», а что - как «1». Логическим уровням соответствуют свои диапазоны напряжений, и они достаточно строгие и зависят от типа логики (КМОП, ТТЛ, ТТЛШ и т.д.). Эксперимент с 80-метровым кабелем показал, что амплитуда выходного напряжения значительно снижается. Все логические уровни пропорционально снижены делителем напряжения, и они больше не соответствуют стандартам для применяемых микросхем. Триггер Шмитта сможет корректно восстановить сигнал на приемном конце, только если уровни будут строго заданы. Если есть отклонения, они будут проявляться в изменении скважности принимаемого сигнала.

Третья проблема, как было сказано ранее, связана с тем, что земля источника и земля приемника - не одна и та же точка. Для 80-метрового кабеля это, чаще всего, не представляет собой проблемы, так как на каждй стороне кабеля имеется свой независимый источник питания. Однако, при использовании более коротких кабелей часто применяется общий источник питания, и, следовательно, общая земля.

Уже было сказано, что объединение земляных проводников - это Неприятная Штука™ , когда речь идет о длинных линиях. Вы должны убедиться, что цепи питания развязаны на две отдельные области, как по «горячим» проводникам, так и по земляным (*) . Обратите внимание, что вам нужно развязать источники питания только для восстановления сигнала с длинной линии. У вас вполне может быть одна глобальная земля, но вы должны иметь дело с локальными земляными проводниками, предназначенными для линий передачи данных.

(*): Могут быть исключения, если вы четко представляете себе, что вы делаете. Это относится к продвинутому уровню мастерства, так что спросите совета у вашего знакомого радио-гуру.

Рисунок 15. Восстановление сигнала с использованием триггера Шмитта и раздельных областей питания

Замечание: в схеме на рисунке 15 использовано два инвертора только затем, чтобы сохранить фазу сигнала.

Сигнал на выходе из кабеля нужно «приподнять», чтобы он соответствовал уровням напряжений для «0» и «1». Это делается путем подстройки резистора Rterm так, чтобы напряжение смещения на выходе кабеля находилось где-то посередине между порогов триггера Шмитта. Пороговые напряжения для 74HC14 при питании от 5 В равны: V T+ = 2,4 В, V T- = 1,4 В.

Будет логично настроить делитель на смещение 1,9 В (посередине между порогами), но это должно быть подтверждено экспериментально. Терминатор при настройке 1,9 В имеет составное сопротивление 82 Ом, это немного меньше необходимых ста ом, но все еще приемлемо. Сопротивление источника питания переменному току очень мало, поэтому можно считать верхний и нижний выводы делителя соединенными между собой по переменному току. С точки зрения сигнала на конце кабеля, верхнее и нижнее плечи делителя включены параллельно . Смещению 1,9 В соответствуют сопротивления плеч: 217 Ом - на проводник питания и 133 Ом - на землю.

Рисунок 16. Восстановление сигнала с использованием смещения уровней не искажает скважность импульсов

Возвращаемся ко второму пункту, балансировке сигнала. Рисунок 16 (вверху справа) показывает, что происходит на несогласованной линии. Длительность импульса от источника, 251,4 нс, не равна длительности на выходе триггера Шмитта. Выходной импульс длиннее на 40 нс или почти на 16%. Если вы соединяете несколько линий передачи каскадно, то всего через несколько каскадов от сигнала ничего не останется (то есть коэффициент заполнения достигнет 100% и паузы между импульсами исчезнут. - Прим. перев. ) .

Важно заметить, что изменения скважности сильно зависят от частоты сигнала и длины линии. Небольшое изменение частоты может иметь значительное влияние, в то время как другие изменения могут быть незаметны. То, что проблема не видна, не всегда является признаком отсутствия проблемы.

Добавление терминатора со смещением (рис. 16 внизу справа) приводит к идеальному совпадению длительностей импульсов. Для восстановления скважности настроен уровень смещения 1,81 В (вместо теоретического 1,9 В). Возможно, это связано с небольшим отклонением сопротивлений от номинала.

В реальной жизни вы бы провели несколько испытаний конструкции, а затем пересчитали все значения, чтобы убедиться, что они корректны. Никому не нужны подстроечные резисторы в окончательном варианте конструкции, да они обычно и не требуются. Большинство схем, если они должным образом продуманы, нормально работают с отклонениями в пределах нескольких процентов.

Резонансные эффекты

Отражения в длинной линии могут создать значительные проблемы, если длина волны входного сигнала кратна длине кабеля. На рисунке 17 показаны осциллограммы сигналов для набора частот, для которых 80-метровый кабель составляет 1/8 λ, 1/4 λ, 1/2 λ, 3/4 λ и 1 λ.

Как было сказано выше, первый резонанс наступает при режиме 1/4 λ. Однако, стоячая волна возникает, если в линии укладывается любое целое число четвертьволн. На конце кабеля будет пучность волны, если в линии укладывается нечетное число четвертьволн (1/4 λ, 3/4 λ...), и узел волны - если четное (1/2 λ, 1 λ...). (Здесь речь идет об узлах и пучностях напряжения. Волна тока сдвинута на 1/4 λ относительно волны напряжения, то есть пучности напряжения соответствует узел тока и наоборот. - Прим. перев. )

Проблема возникает при наличии пучности напряжения на конце кабеля. Выходное напряжение является суперпозицией входного и напряжения резонансной волны. Амплитуда напряжения волны сильно зависит от добротности (Q) кабеля. Добротность, в свою очередь, определяется сопротивлением, емкостью и индуктивностью линии. При высоких значениях добротности (Q>1) напряжение в пучности стоячей волны может значительно превышать входное напряжение.

В области высокомощных радиосигналов известны случаи повреждения кабеля резонансной волной. Напряжение в пучностях достигало таких значений, что пробивало изоляцию кабеля.

Рисунок 17. Резонансные эффекты на различных частотах. Слева - нетерминированная линия, справа - терминированная. Верхний канал осциллографа - выход линии, нижний - восстановленный сигнал

Частоту резонансной волны, для которой длина линии равна λ, можно найти на основании величины задержки передачи. Измеренная задержка составляет 402 нс, что дает частоту около 2,5 МГц. На рисунке 17 (нижний ряд) показана эта самая частота, в пределах погрешности.

Следует отметить, что линия становится «прозрачной», когда ее длина кратна длине волны (то есть входное сопротивление линии будет равно сопротивлению нагрузки, и не будет зависеть от волнового сопротивления самой линии. - Прим. перев. ) . В этом случае емкостная и индуктивная составляющие компенсируют друг друга.

Глядя на рисунок 17 можно сказать, что восстановление сигнала работает исключительно надежно. Тем не менее, не следует ждать, что ваше оборудование долго проживет, если оно вынуждено справляться с высоким напряжением на выходе кабеля.

Согласование на входе линии

Длинные линии по своей природе симметричны. С точки зрения согласования это означает: то, что было сказано насчет выхода линии, так же справедливо и для входа. Правильное согласование линии заключается в следующем:

1. выходное сопротивление источника равно волновому сопротивлению линии;
2. волновое сопротивление постоянно по всей длине линии;
3. сопротивление нагрузки (терминатора) равно волновому сопротивлению.

До сих пор, были рассмотрены только реализации пунктов 2 и 3. Тем не менее, можно создать систему, для которой выполняются только пункты 1 и 2.

Рисунок 18. Схема сильноточного питания линии с последовательным согласованием

Источник сигнала (буферы 74HC04) обладает очень низким выходным сопротивленим (меньше 5 Ом). 100-омный последовательно включенный резистор Rterm согласовывает сопротивление источника с волновым сопротивлением линии.

Рисунок 19. Последовательное согласование на входе линии

Когда сигнал направлен в кабель, он отражается от выхода и движется обратно к началу линии. Так как вход правильно согласован, вся энергия покидает кабель без переотражения. На рисунке 19 видно, что отражение накладывается на полезный сигнал только в точке IN_SIG и нигде больше.

В кабеле не возникает резонанса, так как нет условий для многократного переотражения сигнала. Таким образом, выходное напряжение всегда стабильно.

Основное преимущество этой схемы в ее простоте. Второе преимущество состоит в том, что снижается потребление энергии. Драйвер всегда нагружен на сопротивление 100 Ом, которое ограничивает пиковый ток величиной 50 мА (при 5 В). Тем не менее, снижение мощности также является недостатком, так как не позволяет быстро «раскачать» емкость кабеля. Это означает, что полоса пропускания линии будет ограничена.

Другой недостаток данной схемы заключается в том, что драйвер линии должен иметь низкое выходное сопротивление и справляться с отраженным сигналом. На практике могут потребоваться защитные диоды для ограничения перенапряжений.

Несколько заметок по поводу описанного решения:

• сопротивление нагрузки должно быть намного больше волнового сопротивления линии. Это важно, так как отражение сигнала вызывается искусственно. При использовании триггера Шмитта (рис 18) это не вызывает трудностей. Слишком низкое сопротивление нагрузки (но все еще выше волнового сопротивления) влияет на требуемое значение согласующего резистора;
• вы можете устанавливать баланс сигнала на выходе кабеля с помощью высокоомного делителя;
• в этой установке не решены вопросы разводки земли, как обсуждалось раньше, и вы должны решать их отдельно;
• установка не застрахована от проблем, возникающих вблизи резонансных частот.

Двустороннее согласование

Как следует из теории, и как было описано в предыдущем параграфе, линия должна быть согласована и в начале, и в конце. Почему бы так и не сделать?

Дополнительное сопротивление делает восстановление сигнала сложной задачей. Уже говорилось, что 80 метров кабеля со 100-омным терминатором дадут максимальное выходное напряжение всего 3,85 В из-за эффекта делителя напряжения. Введение дополнительного резистора в начале кабеля для согласования с обеих сторон приведет к снижению выходного напряжения до 5 В · 100 Ом / (100 Ом + 100 Ом + 30 Ом) = 2,17 В. При такой амплитуде порог срабатывания триггера Шмитта (2,4 В) никогда не будет достигнут, и сигнал пропадет.

Короткий кабель даст вам в лучшем случае 2,5 В, что не оставляет большого запаса для стабильной работы.

Передача цифрового сигнала требует, чтобы минимальная амплитуда на выходе кабеля соответствовала спецификации. Нет другого способа достичь этого, кроме применения дополнительных схем для усиления сигнала.

Развязка питания

Несколько раз в этой статье была подчеркнута проблема земляных петель. Создание коротких замыканий в проводниках земли может привести к неконтролируемому «звону» на различных частотах. К сожалению, эта проблема просто формулируется, но не имеет простого решения.

Лучшее решение - это обеспечить, чтобы проводники земли не могли соединиться, даже через корпус, экран или внешнее заземление. Однако, это решение не всегда практично, и, конечно, не дешево. Существует довольно простой способ развязать источники питания, вместе с их землями, когда подключение питания осуществляется совместно с подключением сигнальных цепей.

Рисунок 20. Развязка питания с помощью дросселей

Каждая ветвь линий питания проходит через дроссель (или ферритовую бусину). Оба провода, положительный и отрицательный, должны быть свиты вместе. Обмотки на дроссель намотаны таким образом, что магнитные поля положительного и отрицательного проводников компенсируют друг друга, и не создается постоянного подмагничивания.

Дроссель оказывает очень большое сопротивление дифференциальным переменным сигналам, и это гарантирует, что общий провод длинной линии, на котором присутствует переменный сигнал, не имеет связи с шинами питания. Конденсаторы с каждой стороны дросселя, которые имеют низкое сопротивление на высокой частоте, позволяют считать каждую область питания локальным изолированным источником (по переменному току).

Необходимые индуктивности дросселей и емкости конденсаторов будут зависеть от частоты передаваемых сигналов. Более низкие частоты означают использование больших значений. Это полностью зависит от конструкции в целом.

Показанное на рисунке 20 разделение линий питания не обеспечивает идеальной развязки земли. Например, сопротивление земляного проводника по постоянному току будет по-прежнему зависеть от схемы разводки земли. Изменение этого сопротивления изменит параметры делителя напряжения и сдвинет абсолютные уровни сигналов, но это не должно доставить особых проблем, а иногда даже может быть полезным.

Балансные линии

Вместо использования сложных схем разводки земли можно просто перестать использовать землю как точку отсчета, и оставить уровни сигнала свободно плавающими.

Отказ от общего провода в качестве нулевого уровня осуществляется путем применения «положительного» и «отрицательного» соединений между источником и приемником. Сигнал кодируется разностью потенциалов между "+" и "-" проводниками, без учета абсолютного значения этих потенциалов. Такая система называется дифференциальной парой .

Примерами балансных линий передачи могут служить RS-485 , CAN , USB и LVDS .

Балансные линии не решают всех проблем, связанных с длинными линиями. Их по-прежнему нужно правильно согласовывать, как и другие кабели. Однако, к преимуществам балансных линий относятся очень хорошая помехоустойчивость, отсутствие общего провода и широкая полоса пропускания. Платой за это является усложнение схем приемо-передающих устройств.

Заключение

Можно еще много рассказать по теме линий передачи данных. Написано множество книг о тонкостях работы кабелей и длинных линий. Я надеюсь, вы смогли разобраться в некоторых вопросах с помощью приведенных примеров. Несколько советов касательно проектирования линий передачи для ваших будущих разработок:

• убедитесь, что сигналы передаются правильно и не отражаются;
• не забывайте ставить терминаторы;
• если драйвер выдерживает отраженный сигнал, ставьте терминатор на входе линии;
• если отражения нежелательны, терминируйте конец линии;
• проверьте цепи питания и исключите земляные петли;
• на высоких частотах лучше использовать балансные линии и специализированные драйверы;
• если что-то выше вашего понимания, посоветуйтесь со специалистами.

Да пребудет с вами Сила!

Теги:

• длинные линии
• согласование
• волновое сопротивление
• стоячая волна
• терминатор
• витая пара

Добавить метки

На практике чаще всего длинные линии используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки Zн = Rн + jХн удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению линии

а реактивная часть нагрузки Хн должна равняться нулю:

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (2.1), (2.2), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Цели согласования

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

увеличение электрической прочности линии;

увеличение КПД линии;

устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.

Влияние согласования на КПД линии рассмотрено выше (см. с. 30) и проиллюстрировано на рис. 1.21. Установлено, что КПД тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения |Г|.

Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации. Требования к Kсв на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора.

Нагрузка, подключенная к концу линии передачи, называется согласованной, если её нормированное сопротивление или проводимость равны единице: В линии устанавливается режим бегущей волны. На практике возникают ситуации, когда условие не выполняется и в то же время линию и нагрузку изменять запрещено. В этих условиях необходимо изыскать способ обеспечения в линии режима бегущей волны, причем вся мощность этой волны должна поглощаться в нагрузке.

Общий принцип, который кладется в основу при решении этой проблемы, состоит в том, что нагрузка подключается к линии не непосредственно, а через согласующий трансформатор (рис. 6.5, а ).

От трансформатора требуется, чтобы он трансформировал проводимость подключенную к его выходным клеммам, в проводимость, равную единице на его входных клеммах:

Это есть условие согласования, при котором в линии устанавливается режим бегущей волны. Поскольку отраженной волны нет, а в трансформаторе потери должны отсутствовать, вся мощность падающей волны поглощается в нагрузке.

Трансформаторы, применяемые на СВЧ, выполняются на отрезках линий. Рассмотрим устройство трансформа-тора, реализующего так называемое одношлейфное согласование (рис. 6.5, б ). Трансформатор представляет собой отрезок линии длиной , на входе которого включена параллельная реактивная неоднородность, имеющая нормированную проводимость . Полная проводимость на входе трансформатора складывается из двух параллельно включенных проводимостей: проводимости и проводимости Эта вторая проводимость представляет собой проводимость нагрузки, трансформированную к входным клеммам отрезком линии длиной . Итак:

Подстановка (6.10) в (6.11) дает условие согласования в виде двух равенств:

(6.13)

Условие (6.12) можно удовлетворить путем выбора такой относительной длины трансформирующего отрезка чтобы активная часть проводимости была равна единице: Условие (6.13) можно удовлетворить подбором реактивной проводимости (проводимости шлейфа): ; Приведём пример расчета.

Задача. Проводимость нагрузки Длина волны в линии Рассчитайте длину трансформирующей секции и реактивную проводимость , при которых в основной обеспечивается режим бегущей волны.

Решение. Нанесем на диаграмму проводимостей точку 1, соответствующую (рис. 6.6). Отсчет по шкале «к генератору», соответствующий этой точке, равен 0,222, а КБВ = 0,23. Перемещаясь по окружности КБВ = 0,23 к генератору, непременно доходим до точки 2, через которую проходит окружность . Отсчет по шкале перемещений, соответствующий точке 2, равен 0,32, а значение реактивной проводимости здесь Таким образом, на расстоянии от нагрузки трансформированная проводимость Чтобы компенсировать реактивную проводимость , проводимость шлейфа нужно выбрать равной Итак, длина трансформирующего отрезка Если линия передачи – волновод, то в качестве шлейфа можно взять емкостную диафрагму, подобрав ее ширину по формуле (6.9).

Из рис. 6.6 видно, что имеется другой вариант трансформатора: в точке 2" на круговой диаграмме проводимость , так же, как и в точке 2, имеет активную часть, равную единице. В этом случае реактивный шлейф должен иметь индуктивную проводимость, а длина отрезка должна быть больше, чем в рассчитанном случае.

Порядок выполнения работы

1. Нахождение условных концов линии и длины волны в волноводе. Установите частоту генератора, заданную преподавателем. Подключите к концу ИЛ заглушку и определите положение двух соседних условных концов линии. Определите длину волны в волноводе и сравните ее с расчетным значением, найденным по формуле (3.19).

2. Определение входной проводимости подвижной нагрузки. Подключите к концу ИЛ подвижную нагрузку и установите перемещаемый клин в какое-нибудь фиксированное положение (начальный отсчет по шкале нагрузки должен быть не очень велик – не более 10...15 мм). Измерьте нормированную проводимость нагрузки, отнесенную к ее входному фланцу. Методика измерений по 4.8, но с учетом того, что измеряется проводимость, а не сопротивление. Приведите эскиз (типа рис. 1.6). Рассчитайте относительные расстояния и . Пользуясь круговой диаграммой, определите и . В отчете необходимо поместить рисунок (типа рис. 4.7) с указанием всех числовых данных, получаемых при построении на круговой диаграмме. Точка должна быть на нижней полуоси диаграммы проводимостей.

3. Расчет одношлейфного согласования. Дальнейшей задачей является одношлейфное согласование подвижной нагрузки с проводимостью , определенной в 6.2. По методике 6.6 рассчитайте минимальную длину трансформирующего отрезка и проводимость реактивного шлейфа . Определите, какую диафрагму (индуктивную или емкостную) нужно включить в качестве шлейфа, и по (6.8) или (6.9) найдите размер окна диафрагмы С . В отчете приведите полный расчет согласующего трансформатора по схеме задачи из 6.6 (иллюстрация типа рис. 6.6 обязательна).

4. Проверка качества согласования. Из имеющегося набора выберите диафрагму с нужным Вам размером окна С . Разместить ее можно только в плоскости выходного фланца ИЛ. Соберите схему рис. 6.7. Если Вы оставите отсчет по шкале нагрузки равным , то расстояние между диафрагмой и нагрузкой будет равно нулю, тогда как оно должно быть равно . Поэтому сместите перемещенный клин на от диафрагмы. Тогда отсчет по шкале нагрузки должен быть ( + ). Измерьте КБВ в ИЛ. Он должен оказаться существенно ближе к единице, чем в п. 2. Идеального согласования может и не получиться, поскольку диафрагма рассчитывалась по приближенной формуле. Поэтому попытайтесь путем небольших смещений нагрузки повысить КБВ в ИЛ (скорректированный КБВ).

5. Частотная зависимость согласования. Ничего не изменяя в узле «нагрузка – трансформатор» измерьте зависимость КБВ в ИЛ от частоты. Шаг по частоте 100...200 МГц. Количество частотных точек по 3–4 выше и ниже рабочей частоты. При изменении частоты не забывайте перестраивать резонатор ИЛ. Постройте график.

6.7. Контрольные вопросы

1. Как записываются напряжение и ток в виде волн через коэффициент отражения?

2. Какова связь коэффициента отражения и нагрузки?

3. Что такое входное сопротивление линии, и какова его формула?

4. Что такое входная проводимость линии, и какова ее формула?

5. Как меняется сопротивление (или проводимость) вдоль линии?

6. Каково сопротивление (или проводимость) в точках минимума и максимума напряжения и как оно связано с КБВ и КСВ?

7. В чем отличие и сходство круговых диаграмм сопротивлений и проводимостей?

8. Как вводятся понятия нормированных сопротивлений (или проводимостей) волноводов?

9. Что собой представляет продольная координата на круговой диаграмме сопротивлений (или проводимостей) для волноводов?

10. Как возникает вторичное (рассеянное) поле, отраженное от диафрагмы?

11. Как может быть представлена реактивная часть вторичного поля созданного диафрагмой? И какова его особенность?

12. Как представляется полное поле основного типа, распространяющиеся «за» диафрагмой?

13. Как пояснить, что «индуктивная» диафрагма является именно индуктивной, а «емкостная» – емкостной?

14. Покажите, как по круговой диаграмме найти входное сопротивление в сечении 2, если оно известно в сечении 1.

15. Как, зная нормированное сопротивление в некотором сечении линии, найти нормированную проводимость в том же сечении?

16. В чем состоит принцип одношлейфного согласования?

7. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ
С ПОПЕРЕЧНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

Цель работы: изучение свойств и измерение элементов матриц рассеяния волновых многополюсников.

Длинные линии находят широкое применение в радиотехнике. Рассмотрим кратко некоторые из них .

Длинная линия как трансформатор . Пусть линия нагружена на сопротивление . Большой интерес представляет свойство линии изменять сопротивление нагрузки при его пересчёте на вход линии – свойство, которое присуще обычному трансформатору при приведении сопротивления нагрузки к первичной обмотке. Поэтому часто длинную линию называют трансформатором сопротивлений .

Можно показать, что:

а) однородная линия без потерь, длина которой равна четверти длины волны (в более общем случае – нечётному числу четвертей длин волн), передаёт любую нагрузку, включённую на одном её конце, на клеммы противоположного конца с изменением (трансформацией) данной нагрузки, определяемой выражением:

,

Например, колебательная система в виде отрезка двухпроводной линии с медными проводами, закороченного на конце, имеет добротность порядка нескольких сотен. Аналогичная колебательная система, образованная коаксиальной линией, характеризуется добротностью . Приведённые цифры показывают преимущества колебательных систем с распределёнными параметрами в диапазоне УКВ по сравнению с обычными колебательными контурами. Расчёт резонансных частот таких колебательных систем произво­дится по формулам (7.55, 7.56, 7.61, 7.62).

Отрезки длинных линий могут применяться также в качестве фильтров, шлейфов согласования и т. д. Шлейфом называют короткозамкнутый отрезок линии. Более подробное изложение этих вопросов приводится, например, в .

Длинная линия как фидер . Линия, по которой осуществляется передача энергии высокочастотных колебаний от генератора к нагрузке, называется фидером (от английского глагола to feed – питать).

В современных радиотехнических устройствах находят применение фидеры различных типов. В диапазоне метровых и более длинных волн для передачи энергии обычно используется открытый двухпроводной фидер. Однако на более коротких волнах открытая линия начинает интенсивно излучать электромагнитную энергию в окружающее пространство, возрастают тепловые потери в проводах. В результате коэффициент полезного действия такого фидера по мере укорочения волны резко падает.

В дециметровом диапазоне волн наиболее широко применяется коаксиальная линия передачи. Она, в отличие от открытой двухпроводной линии, потерь на излучение практически не имеет, т. к. её электромагнитное поле отделено от внешнего пространства экраном – металлической цилиндрической оболочкой. Коаксиальный фидер обладает также меньшими тепловыми потерями, так как образующие его проводники имеют достаточно большие поверхности.

На сантиметровых волнах в качестве фидера используется волновод, представляющий собой полую металлическую трубу, в которой распространяются электромагнитные волны. Отсутствие в волноводе внутреннего проводника уменьшает расход энергии на нагревание и, следовательно, повышает коэффициент полезного действия по сравнению с КПД коаксиального фидера.

При изучении особенностей применения фидеров весьма важным является вопрос согласования линии с нагрузкой, когда в нагрузку передаётся максимальная мощность. Этим условием является равенство

т. е. сопротивление нагрузки должно быть чисто активным и равно волновому сопротивлению фидера . При этом в линии имеет место режим бегущих волн и КСВ линии равен 1. Существуют различные методы согласования линии с нагрузкой. Рассмотрим некоторые из них.

1. Согласование длинной линии с нагрузкой с помощью четвертьволнового трансформатора.

Принцип работы четвертьволнового трансформатора основан на зависимости (7.68), если положить , т. е. произведение входных сопротивлений в сечениях линии, отстоящих друг от друга на равно :

выбрать четвертьволновый трансформатор с требуемым волновым сопротивлением .

Рис. 7.28

На рис. 7.28 показано, что при

при необходимо потребовать, чтобы

На основании (7.70) имеем . Так как нагрузка и волновое сопротивление линии заданы, то задача согласования сводится к определению . В результате при подключении трансформатора с таким волновым сопротивлением в сечении будет выполнено условие согласования

,

т. е. в линии будет иметь место режим бегущих волн. Отметим ещё раз, что если нагрузка активная , то трансформатор подключается непосредственно к нагрузке.

Для расчёта длины волны в коаксиальном кабеле можно рекомендовать следующую формулу:

где ;

– длина волны в воздухе.

Если нагрузка линии комплексная, то трансформатор не может быть подключён непосредственно к нагрузке. Первоначально нужно найти сечение в линии, в котором сопротивление активно. При этом используется то положение, что входное сопротивление длинной линии при произвольной нагрузке в сечениях, где имеются экстремальные значения напряжения и тока, носит чисто активный характер.

В сечениях, где имеются и ,

Рис. 7.29

Варианты включения четвертьволнового трансформатора при комплексной нагрузке показаны на рис. 7.29.

Расчёт волнового сопротивления трансформатора производится в соответствии с формулой (7.70). Если трансформатор подключён в точках , т. е. имеем и , то

В сечении необходимо потребовать, чтобы , тогда

Если трансформатор подключён в точках , т. е. имеем и , то

В сечении должно выполняться условие согласования , тогда

В результате и в том и в другом случаях осуществлено согласование линии с нагрузкой. Согласование с помощью четвертьволнового трансформатора не всегда удобно, так как не всегда возможно подобрать кабель с требуемым волновым сопротивлением.

Более удобным с практической точки зрения является метод согласования, разработанный советским учёным В.В. Татариновым.

2. Согласование длинной линии с нагрузкой при помощи шлейфа В.В. Татаринова.

Сущность метода заключается в следующем. Имеется параллельный реактивный шлейф – отрезок линии (может быть переменной длины), короткозамкнутый на конце с волновым сопротивлением (рис. 7.30а). Входное сопротивление шлейфа чисто реактивное:

Нужно добиться такого положения, чтобы сопротивление в точках было чисто активным (рис. 7.30б):

где

Рис. 7.30

т. е. необходимо потребовать равенство нулю реактивной составляющей этой проводимости:

Это можно достичь выбором требуемой длины шлейфа , при этом

Если же сопротивление в точках не равно волновому сопротивлению линии, то можно подключить к нагрузке четвертьволновый трансформатор, изображённый на рис. 7.31. При этом необходимо выбрать трансформатор с волновым сопротивлением

Если имеется возможность изменять место подключения шлейфа вдоль линии, то согласование осуществляется в следующем порядке:

– определяется место подключения шлейфа;

– определяется длина шлейфа.

Пусть шлейф не подключён к линии и в длинной линии существует режим смешанных волн. В линии всегда имеется сечение , где активная часть входной проводимости (в этом случае вместо сопротивлений удобно пользоваться проводимостями)

так как в соответствии с формулами (7.71) и (7.72) активная составляющая входной проводимости линии изменяется в пределах от

Рис. 7.32

Рис. 7.31

В этом сечении и необходимо подключить шлейф и скомпенсировать реактивную часть входной проводимости линии, т. е. подобрать такую длину шлейфа, чтобы его проводимость была равна по величине и противоположна по знаку входной реактивной проводимости линии (рис. 7.32):

Линия, таким образом, согласована. Данный способ согласования связан с необходимостью перемещения параллельного шлейфа вдоль фидера. Это приводит к определённым конструктивным трудностям при согласовании коаксиальных линий. Поэтому применяют устройства, состоящие из двух неподвижных параллельных шлейфов. Существо такого согласования изложено, например, в .