Широкополосные трансформаторы на линиях с целочисленными коэффициентами трансформации

Усовершенствуя рассмотренный выше принцип образования ШТЛ, можно реализовать и при п >2 минимальные напряжения на проводниках согласованных двухпроводных линий и соответственно минимальные их длины. Этот усовершенствованный принцип проиллюстрируем на примере ШТЛ 1:4 (рис. 1.3.1,а), выполненного из трех двухпроводных линий, на проводниках которых указаны продольные напряжения, имеющие место для низкочастотного аналога (рис. 1.3.1,б), и трех ФЛ. В дальнейшем линии, на проводниках которых указаны продольные напряжения, будем называть основными.

Пусть волновые сопротивления первой основной линии и трех ФЛ равны W. Тогда по каждой из этих четырех линий, входы которых соединены параллельно, будут распространяться колебания с амплитудами напряжения U и тока I = U / W. Если электрические длины первой основной линии и ФЛ, подключенной последовательно к ее выходу, одинаковы и равны х, то колебания на выходах этих линий сложатся синфазно. Чтобы это суммарное колебание амплитудой 2 U распространялось без отражения по второй основной линии, ее волновое сопротивление должно быть 2 W. Тогда амплитуда тока останется равной U / W. Для сохранения неизменным тока в третьей основной линии при амплитуде напряжения 3 U ее волновое сопротивление должно составлять 3 W, а электрическая длина второй ФЛ должна быть 2х. Для синфазного суммирования напряжений на согласованной нагрузке R ₂ 4 W длина третьей ФЛ должна составлять Зх. В результате получаем трансформацию напряжения в 4 раза при полном согласовании для волнового процесса передачи мощности в нагрузку R ₂, т. е. Г_в=0. Фазокомпенсирующие линии для такого трансформатора удобно выполнять коаксиальными линиями, которые могут соединяться своими внешними проводниками. На рис. 1.3.1,в показан вариант выполнения ШТЛ 1:4 для согласования сопротивлений 50 и 3,125 Ом при использовании стандартных кабелей РК-50 и РК.-75. Для реализации требуемых волновых сопротивлений линий отрезки кабелей соединяются параллельно.

Широкополосные трансформаторы на линиях различных типов, полученные при использовании рассмотренного принципа, приведены в табл. 1.3.1. При этом трансформатор (рис. 1.3.1,а) относится к п. 1 табл. 1.3.1. Для всех ШТЛ табл. 1.3.1 нормированные значения продольных напряжений на проводниках линий не превышают единицы и соответственно их длины минимальны.

Рассмотрим теперь пути уменьшения числа ФЛ в схемах ШТЛ табл. 1.3.1 при сохранении тех же значений К и условия Г_в=0. На рис. 1.3.1,а точки фазокомпенсирующих линий, отстоящие на одинаковых электрических «расстояниях» от входа, эквипотенциальны для волн, распространяющихся в обоих направлениях. Поэтому их можно соединить и заменить все ФЛ одной трехступенчатой (рис. 1.3.2). Волновые сопротивления ее первой, второй и третьей ступеней равны соответственно: W /3, W /2 и W. Напряжение бегущей волны вдоль этой трехступенчатой ФЛ неизменно по амплитуде, а амплитуда тока в ней уменьшается от 3 U / W для первой ступени до U / W для третьей ступени. Для основных линий возрастает амплитуда напряжения бегущей волны от линии к линии от U до 3 U, а амплитуда тока остается неизменной. Рассмотренный принцип уменьшения числа ФЛ можно развить на все типы ШТЛ табл. 1.3.1.

Таблица 1.3.1

№ п/п	Тип ТШЛ	Схема ТШЛ	К/Кмин
1	1:n		2(n-1)/n
2	±(1:n) n-четное		2(n-1)/n
3	±(1:n) n-нечетное		2(n-1)/n
4	1:-n		2n/(n+1)
5	±(1:n) n-четное		2n/(n+1)
6	±(1:n) n-нечетное		2n/(n+1)

Для схем ШТЛ табл. 1.3.1 существуют дуальные схемы с теми же минимальными продольными напряжениями на проводниках линий. Дуальная схема образуется путем замены последовательного соединения линий между собой на параллельное и наоборот, а нормированных волновых сопротивлений — на проводимости. В таблице 1.3.1 отсутствуют схемы, дуальные, поскольку они оказываются гальванически связанными и имеют худшие параметры. Выбор того или иного варианта ШТЛ обусловлен возможностью реализации волновых сопротивлений основных линий при задаваемых значениях R ₁ и R ₂. Количество возможных решений возрастает при использовании рассмотренных ШТЛ в структурных схемах табл. 1.2.2.

Конструктивное выполнение схем ШТЛ табл. 1.3.1 существенно упрощается, если исключить все ФЛ, заменив их проводники непосредственными соединениями. В этом случае появляются проводники основных линий с эквипотенциальными зажимами. Это позволяет объединить такие проводники и образовать ШТЛ, для которых К=К_мин согласно табл.1.1.1. Объединение проводников дает возможность уменьшить размеры магнитопровода или увеличить число витков на выбранном магнитопроводе. Однако исключение ФЛ дается (как и для ШТЛ в разд.1) ценой рассогласования, возрастающего с увеличением х для основных линий. Схемы ШТЛ по табл. 1.2.1 без ФЛ сводятся к единым и соответствуют двум конструктивным реализациям. Первая предполагает, что волновая проводимость, отличная от нуля, имеет место только между одним (общим) проводником и каждым из остальных, что условно изображено набором коаксиальных линий с объединенными внешними проводниками, образующими общий проводник. Это условие для волновых параметров может быть реализовано и по-другому, например, при расположении над общим проводником полосковых проводников, торцевыми связями между которыми можно пренебречь. Вторая конструктивная реализация предполагает не равными нулю волновые проводимости только между смежными проводниками. Это обеспечивается, например, при расположении полосковых проводников друг над другом.

Рис.1.3.3

Характеристики ШТЛ могут быть улучшены (увеличивается х_в и уменьшается разброс волновых сопротивлений) при использовании корректирующих элементов (рис. 1.3.3): разомкнутой на конце линии,подключенной параллельно входу ШТЛ, и короткозамкнутой на конце линии, подключенной последовательно на выходе ШТЛ.

Отметим, что при использовании ШТЛ без ФЛ в структурных схемах табл. 1.2.2 проводник дополнительной линии также можно объединить с проводником ШТЛ, имеющим с ним эквипотенциальные зажимы, сохраняя в целом К=К_мин. Очевидно, что корректирующие элементы должны быть включены до дополнительной линии.