Согласование нагрузки с питающей линией

Для обеспечения режима бегущей волны в линии передачи и, тем самым, обеспечения максимальной выделяемой мощности в нагрузке необходимо, чтобы комплексное сопротивление нагрузки в соответствии с формулой (2.14) удовлетворяло условию

, (3.1)

что эквивалентно двум условиям

. (3.2)

В этом случае отраженная волна отсутствует, и поэтому говорят, что линия передачи согласована с нагрузкой.

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

Как правило, согласующие устройства выполняются из реактивных элементов с целью сохранения высокого КПД тракта.

Различают два вида согласования: узкополосное (ширина полосы частот, в которой необходимо обеспечить допустимый уровень согласования КСВ < КСВ_доп, не превосходит нескольких процентов от средней частоты) и широкополосное.

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используют следующие устройства: четвертьволновой трансформатор, последовательный шлейф, параллельный шлейф, два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Согласование с помощью четвертьволнового трансформатора. Это устройство представляет собой четвертьволновой отрезок линии передачи с волновым сопротивлением W_тр ¹ W_L, включенным в разрыв основной линии передачи в точке z₀ (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Согласование линии с помощью четвертьволнового трансформатора

Входное сопротивление нагруженной линии в любом сечении определяется формулой

. (3.3)

Для линии без потерь (α = 0) входное сопротивление находится с помощью выражения

(3.4)

и удовлетворяет условию

, (3.5)

где L – длина волны в линии.

На свойстве (3.5) и основан принцип работы четвертьволнового трансформатора.

Применительно к рис. 3.1 условие (3.5) будет записываться следующим образом

, (3.6)

где Z_вх(z₀) – входное сопротивление линии с волновым сопротивлением W_L и длиной z₀, нагруженной сопротивлением Z_н (входное сопротивление линии в сечении z₀), а Z_вх(z₀+L/4) – входное сопротивление четвертьволнового трансформатора с подключенным к нему отрезком линии длиной z₀, нагруженной сопротивлением Z_н (входное сопротивление линии в сечении z₀ + L/4).

Найдем место включения z₀ трансформатора и его волновое сопротивление W_тр.

Условия согласования (3.2) требуют, чтобы Z_вх(z₀+L/4) = W_L, т.е. с учетом (3.6)

. (3.7)

Отсюда следует, что Z_вх(z₀) должно быть чисто вещественным, т.е. Z_вх(z₀) = R_вх(z₀). Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования должен быть включен в таких сечениях линии, где входное сопротивление линии чисто активно. Входное сопротивление линии чисто активно в сечениях линии, в которых напряжение достигает максимума или минимума. Именно в этих точках включается четвертьволновый трансформатор, а его волновое сопротивление равно

. (3.8)

В максимумах напряжения R_вх = W_L×КСВ, в минимумах напряжения R_вх = W_L×КБВ.