Формирующие и задерживающие линии.

Формирующие линии (ФЛ)

Если линию, схема которой показана на рис. 31а, зарядить от источника постоянного напряжения при отключенной нагрузке; она накопит определённую энергию. Если, после этого, отключить источник и подключить согласованную активную нагрузку: , то произойдёт разряд линии на нагрузку. Процесс разрядки состоит из 2, равных по длительности этапов.

Рис. 31. Формирующие линии

а) схема двухпроводной линии;

б) графики разряда линии;

в) схема искусственной линии;

г) и д) импульсы выходного напряжения двухпроводной и искусственной линий

На первом этапе исходное напряжение делится поровну между равным сопротивлением и . На нагрузке выделяется половина этого напряжения - (рис. 31б). Понижение напряжения распространяется от нагрузки в виде прямой волны постоянного напряжения - .

В разомкнутом начале линии понижения напряжения удваивается и напряжение уменьшается до нуля.

На втором этапе возникает отраженная волна напряжения - , которая распространятся к нагрузке, окончательно разряжаю линию.

На нагрузке формируется прямоугольный импульс напряжения - , длительность которого равна продолжительности двух этапов:

,

где l – длина линии, а v – скорость распространения волны.

В воздушных линиях: V=c=3. Линия длиной в 1,5 метра формирует очень короткий импульс длительностью:

.

Для получения импульсов большей длительности при приемлемых размерах линии, необходимо уменьшить скорость распространения волны, увеличив погонную индуктивность и емкость. В коаксиальной линии это достигается применением спирального внутреннего провода или диэлектрического наполнителя. За счет последнего скорость уменьшается в раз.

Ещё большую длительность импульса до миллисекунд можно получить используя искусственную длинную линию, состоящую из множества одинаковых катушек и конденсаторов, соединение по схеме рис. 31в. Длительность импульса в такой схеме:

,

где: n – число звеньев, а L и C – параметры одного звена. Чем меньше L и C, тем ближе искусственная линия к естественной, тем меньше искажение формы импульса.

Пример: Сколько звеньев должна содержать формирующая линия для получения импульса длительностью 5 мкс, если в каждом звене: L=5мкГн; С=5пФ?

Ответ: n=100.

Линии задержки (ЛЗ)

Эти линии предназначены для задержки коротких импульсов на заданное время. Линия задержки согласована с нагрузкой, которая поглощает энергию импульсов без отражения. Поэтому длительность задержки равна:

– для естественной линии:

– для искусственной:

Для получения больших задержек используя ультразвуковые линии задержки (УЗЛЗ). В них, при помощи пьезоэлектрических преобразователей, радиоимпульсное напряжение превращается в механические колебания на входе УЗЛЗ (и наоборот – на выходе), которые распространяются в твёрдом теле или жидкости. Скорость распространения ультразвука в стали порядка 5700м/с (почти в 50000 раз меньше скорости света).

Весьма высокими показателями характеризуются новые УЗЛЗ на сапфире с тонкопленочными преобразователями, а также стекловолоконные УЗЛЗ.

Пример: Какова длина коаксиального кабеля, используемого в качестве ЛЗ для радиолокационного высотомера, эквивалентного высоте 100 метров, если проницаемость диэлектрика ε=4?

Ответ: l=100м.

Вопросы для самопроверки

1. Как протекает формирования импульса при помощи ФЛ?

2. Какие меры способствуют увеличению длительности импульса?

3. Что представляет собой искусственная длина линии (ИДЛ)?

4. От чего зависит длительность и степень искажения формы импульса, формируемого ИДЛ?

5. Чем отличается ЛЗ и ФЛ по назначению и схеме включения?

6. Одна и та же линия используется как ЛЗ или как ФЛ. Равны ли длительность задержки ЛЗ и импульса ФЛ? Обоснуйте ответ.

ВЫВОДЫ

1. Длинными являются линии, длина которых соизмерима с длиной волны. Основная особенность процессов в длинных линиях в том, что ток и напряжение в них изменяются не только во времени, но и в пространстве – по длине линии.

2. Бегущие волны возникают в бесконечно длинной линии. При БВ энергия ЭМП непрерывна потребляется от ГВЧ, «заполняя» все более удалённые участки линии. Поэтому входное сопротивление линии активное по характеру, а по величине постоянное и называется волновым сопротивлением.

Согласованной называется линия конечной длины, нагруженная активным сопротивлением, равным волновому. В такой линии, вся мощность БВ, подводимая к нагрузке, расходуется в ней. Такой режим желателен в фидерных линиях.

Признаком в режиме БВ является постоянство показаний вольтметра и амперметра при их перемещении вдоль линии.

3. Стоячие волны возникают в РЗЛ и КЗЛ за счёт сложения прямой и отраженной, от конца линии, волн. При СВ входное сопротивление носит активно-реактивный характер. Такие линии используются на УКВ в качестве эквивалентов колебательных контуров или их элементов антенны. Реактивная нагрузка позволяет уменьшить длину отрезка линии, сохранив его свойства и обеспечивает возможность настройки в диапазоне частот.

Признаком стоячей волны является изменение показаний вольтметра Ии амперметра при их перемещении по линии от максимального в пучностях до нуля в узлах.

4. Смешанные волны возникают в несогласованной линии. Они состоят из бегущих и стоячих волн. Последние возникают вследствие отражения части энергии от нагрузки. Возникновение смешанных волн в фидерах нежелательно, т.к. это приводит к понижению их КПД. Поэтому между фидером и несогласованной нагрузкой включают различные трансформаторы сопротивления.

5. Формирующие линии обеспечивают формирование импульсов прямоугольной формы за счёт энергии, накапливаемой при заряде линии.

6. Линии задержки обеспечивают задержку во время импульсных сигналов.

7. Искусственные и ультразвуковые линии позволяют получить импульсы и задержку большой длительности при малых габаритах линии.