15.4.Связанные контуры

Наряду с одиночными контурами в радиотехнических устройствах применяются связанные контуры. Они позволяют получить более равномерную частотную характеристику в пределах полосы пропускания и большее ослабление за ее пределами.

Для организации многоконтурных резонансных цепей применяются различные виды цепей связи между контурами. В основном это индуктивные и емкостные. Применяются и резистивные цепи. Основные виды связи контуров иллюстрируются схемами рис. 15.10.

Рис. 15.10. Связанные колебательные контуры:

а) с индуктивной связью,б) с автотрансформаторной связью,в) с емкостной связью

Резистивная связь колебательных контуров осуществлена через общее активное сопротивление. Иногда применяется комбинированная связь, например индуктивно-емкостная.

Степень связи контуров определяется коэффициентом связи

,

где K₁₂иК₂₁– коэффициенты передачи напряжения соответственно из первого контура во второй и из второго в первый.

При трансформаторной связи

.

При автотрансформаторной связи

.

При емкостной связи

.

Условием резонанса в системе связанных контуров является обращение в нуль реактивной составляющей входного сопротивления. Анализ показывает, что в системе из двух контуров, даже и настроенных на одну и ту же частоту ₀, резонанс может наблюдаться на двух частотах₁и₂, причем резонансные частоты₁и₁зависят от коэффициента связи между контурами. А именно, чем большеk_св, тем больше частоты₁и₂отличаются друг от и от₀. При уменьшении коэффициента связи частоты сближаются и приk_{св кр}=d(критическая связь) становятся равными₁и₂=₀. При слабой связи , когдаk_св<k_{св кр}=dс увеличением расстройки частоты входного сигнала относительно резонансной частоты₀|K(i)| уменьшается и АЧХ имеет один максимум. При сильной связиk_св>k_{св кр}=dАЧХ уже имеет два максимума рис. 15.11.

Рис. 15.11. АЧХ резонансной системы из двух одинаковых индуктивно связанных контуров

Физической причиной возникновения этих максимумов является компенсация собственной реактивности контуров реактивностью, вносимой соседним контуром. Чем сильнее связь, тем больше по модулю вносимое реактивное сопротивление и тем больше степень компенсации собственной реактивности контура. Поэтому и резонансная частота в большей мере сдвигается относительно собственной частоты, определяемой при отсутствии влияния другого контура.

Этот эффект позволяет регулировать полосу пропускания резонансной системы.

15.5. Колебательные системы с распределенными параметрами

На частотах выше 300...500 МГц колебательные контуры длина волны становится соизмеримой с размерами элементов колебательного контура. Поэтому в контуре возрастают потери на излучение. Такие контуры сосредоточенными параметрами имеют настолько малую добротность, что их применение становится нецелесообразным. На этих и более высоких частотах в качестве колебательных контуров применяют отрезки короткозамкнутых линий. Активное сопротивление и потери на излучение таких линий незначительны, что дает возможность получить эквивалентную добротность контура около 1000 и больше.

На рис. 15.12, приведен упрощенный эскиз конструкции колебательного контура, выполненного с использованием отрезка короткозамкнутой коаксиальной линии.

Короткозамкнутая линия длиной эквивалентна имеет очень большое (теоретически – бесконечно большое) и чисто активное входное сопротивление. Поэтому такая линия эквивалентна параллельному колебательному контуру. Но при включении такого резонатора в цепь активного усилительного прибора к ней прикладывается еще некоторая емкость. Поэтому резонаторы в виде отрезков длинных линий практически имеют длину меньше, вплоть до. Входное сопротивление таких отрезков линий имеют индуктивный характер сопротивления. Разумеется, в качестве резонаторов могут использоваться и разомкнутые линии. Но, чтобы служить эквивалентом колебательного контура, они должны иметь длину порядкаи, кроме того, будут иметь бльшие потери за счет излучения из открытого конца.

В приемниках и передатчиках дециметрового диапазона волн широко применяются резонаторы на коаксиальных линиях рис. 15.12.

Рис. 15.12. Коаксиальный резонатор

Простейшие объемные резонаторы представляют собой металлические коробки цилиндрической или прямоугольной формы рис. 15.13, а.

Рис. 15.13. Объемный резонатор

К прямоугольному объемному резонатору длиной с помощью штыря подводится электромагнитная энергия в точку с координатами,их=0. При таком расположении штыря относительно торцевых стенок резонатора в отраженных от стенок волнах напряженность электрического поля будет иметь одинаковую фазу с напряженностью поля в точке расположения штыря. В результате вблизи штыря получается пучность электрического и узел магнитного полей, причем амплитуда колебаний результирующего (стоячего) электромагнитного поля будет максимальной. Иначе говоря, резонансная длина волны объемного резонатора ₀._Р связана с его геометрическими размерами. Распределение поля в поперечном сечении хОу прямоугольного объемного резонатора такое же, как в прямоугольном волноводе, а вдоль оси z оно характеризуется дополнительным индексом р, входящим в условное обозначение волны. Таким образом, тип волны в резонаторе обозначается Н_тпр или Е_тпр, где р – количество максимумов поля вдоль размера l (в цилиндрическом резонаторе – вдоль оси цилиндра). Для примера на рис. 15.14, а показано распределение поля волны Н₁₀₁ в прямоугольном объемном резонаторе, а на рис 15.14, б – волны Н₀₁₁ в цилиндрическом.

Рис. 15.14. Распределение поля в объемных резонаторах

Резонансная длина волны определенного типа колебаний, характеризуемых индексами т, п, р, связана с размерами а, b, l резонатора прямоугольной формы следующей зависимостью:

.

Широкое распространен получили объемные резонаторы тороидальной формы рис. 15.15. В таких резонаторах удается достигнуть почти полного разделения электрического и магнитного полей, почти как в резонансной системе с сосредоточенными параметрами, и увеличить максимальную длину резонансной волны по сравнению с геометрическими размерами резонатора.

Рис. 15.15. Тороидальный резонатор

Тороидальный резонатор часто является составной частью генераторов и усилителей мощности электрических колебаний сверхвысоких частот, например, клистронов. В этом случае резонатор возбуждается электронным потоком, проходящим в той его части, где имеется максимум электрического поля. Для возможности такого возбуждения в суженной части резонатора (емкостном зазоре) делается отверстие, через которое проходит поток электронов. Петля, показанная на рис. 15.11, служит для связи резонатора с нагрузкой.

Наибольшая резонансная длина волны в тороидальном резонаторе при его воздушном заполнении определяется по формуле

где r, l, d – размеры, указанные на рис. 15.15.

Перестройка объемных резонаторов в небольших пределах производится настроечными винтами, лопатками и другими конструктивными элементами вводимыми в полость резонатора. При изменении длины или положения построечного элемента изменяются эквивалентные емкость и индуктивность резонатора, и, как следствие, резонансная длина волны. Для перестройки в широких пределах необходимо менять геометрические размеры резонаторов.

К достоинствам объемных резонаторов относится высокая стабильность их резонансных длин волн (частот), обусловленная механической жесткостью резонатора, а также их большая эквивалентная добротность (10³ и выше).

Основной недостатком резонаторов с распределенными параметрами – наличие множества резонансных частот.