Разработка и исследование унифицированных модулей широкополосных трансформаторов типа длинной линии (стр. 2 из 12)
Введем для них коэффициент К, равный отношению суммарного напряжения на обмотках трансформатора к напряжению Uна его входе (со стороны наименьшего напряжения). Для всех рассматриваемых трансформаторов примем нормированную величину U=1. Минимальное значение этого параметра Кмин, обусловленное функциональным назначением трансформатора, приведено в табл.1.1.1. В дальнейшем величина К понадобится для оценки эффективности использования проводников, в конечном счете широкополосности, реальных ВЧ трансформаторов.
В широкополосных трансформаторах (ШТ), работающих на высоких частотах, нельзя не учитывать непосредственную электромагнитную связь между обмотками. Это принципиальное отличие требует иного подхода к разработке схемных решений для ШТ. Для реализации максимально достижимой ширины рабочего диапазона частот необходимы рассмотрение ШТ как электрических цепей с распределенными параметрами и отыскание предельных характеристик таких цепей при трансформации сопротивлений. В таких ШТ наименьший вносимый коэффициент отражения в задаваемой рабочей полосе частот будет при определенной (номинальной) нагрузке. Это обусловлено тем, что схема замещения ШТ включает в себя реактивные элементы, образующие фильтр с равномерной характеристикой передачи только для определенной нагрузки. Подход к конструированию ШТ с позиции “интегральных” сосредоточенных элементов в схеме замещения (индуктивностей рассеяния, собственных и взаимных емкостей обмоток) не позволял реализовывать максимально достижимую рабочую полосу частот.
В попытке снять это ограничение были предложены трансформаторы, обмотки которых выполнялись двухпроводными линиями передачи [10]. В таких устройствах доминирующей в передачи энергии является непосредственная электромагнитная связь между обмотками. Схема замещения таких широкополосных трансформаторов на линиях (ШТЛ), содержащая линии передачи, достаточно точно отражает характеристики реальных конструкций ШТЛ в широкой полосе частот. В результате были созданы трансформаторы, обладающие существенно расширенном диапазоне частот. Вместе с тем первоначальный подход к разработке схемных решений для ШТЛ в рамках согласованных двухпроводных линий приводит к значительному превышению параметра К в сравнении с его минимальным значением Кминв табл.1.1.1.
Табл.1.1.1
| №п/п | Тип трансформатора | Условноеобозначение | Принципиальнаяэл.схема | Кмин | |
| 1 | Гальваническисвязанные(автотрансфор-маторы) | С несимметрич-ными входом ивыходом | 1:n |  | n |
| 2 | С симметричнымивходом и выходом | ±(1:n) |  | n | |
| 3 | Симметрирующий,с понижением напряжения | n: ±1/2 |  | n+1/2 | |
| 4 | Симметрирующий,с повышениемнапряжения | 1: ± n /2 |  | n | |
| 5 | Гальваническиразвязанные | С изменениемполярности, несимметричнымивходом и выходом | 1:- n |  | n+1 |
| 6 | С симметричными входом и выходом | ±(1:n) |  | n+1 | |
| 7 | Симметрирующий,с повышением напряжения | 1: ± n /2 |  | n+1 | |
| 8 | Симметрирующий,с понижениемнапряжения | n: ±1/2 |  | n+1 | |
Для пояснения этого фактора обратимся к рассмотрению наиболее простых ТШЛ с коэффициентом трансформации 1:n. При n=2 схема трансформатора (рис.1.1а) содержит две одинаковые двухпроводные линии (первая-проводники 1-1' и 2-2', вторая-проводники 3-3' и 4-4'), каждая с волновым сопротивлением Wи электрической длиной x(х=2πlл/λ, где lл-длина линии; λ-длина волны в ней).
Рис.1.1.1,а
Входы этих линий с понижающей стороны ТШЛ соединены параллельно, а их выходы с повышающей стороны соединены последовательно. При этом вторая линия должна быть размещена на магнитопроводе: продета через него (рис.1.1.1,а) либо намотана на нем, как показано на рис.1.1.1,б. В таком трансформаторе можно выделить два процесса. Первый, специфичный для ТШЛ, представляет собой распространение колебаний по линиям и передачу мощности от источника на входе трансформатора к нагрузке на выходе. Для этого процесса характерно, что токи в любом сечении каждой линии равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому можно считать, что вне пространства между проводниками магнитное поле отсутствует и соответственно магнитопровод не оказывает влияния на этот процесс. Для получения согласования с нагрузкой она должна быть равна удвоенному волновому сопротивлению линии, т.е. Rн=2W. В этом случае в линиях имеет место режим бегущей волны и входное сопротивление с пониженной стороны трансформатора равно W/2.
Рис.1.1.1,б
Второй процесс, обусловленный нерегулярностью соединения линий, представляет колебания относительно общей шины. Он не участвует в передаче мощности в нагрузку и характеризуется тем, что в проводниках верхней линии в каждом ее сечении протекают равные синфазные токи. Значение этого тока, как и в обычном низкочастотном трансформаторе, определяет шунтирующее действие индуктивности, образованной проводниками этой линии. Поэтому для уменьшения шунтирующего эффекта верхнюю линию размещают на магнитопроводе. Поскольку в нижней линии один проводник с обеих сторон соединен с общей шиной, то в ее проводниках отсутствуют синфазные токи. Эта линия только для того, чтобы в процессе распространения колебаний от источника к нагрузке скомпенсировать фазовый сдвиг, имеющий место в верхней линии. Поэтому линию, размещенную вне магнитопровода, обеспечивающий только требуемый фазовый сдвиг называют фазокомпенсирующей линией(ФЛ). Фазокомпенсирующие линии не участвуют в формировании шунтирующей индуктивности намагничивания и поэтому являются избыточными элементами (по сравнению с низкочастотными трансформаторами). При малых электрических длинах линий (х близко к нулю), что соответствует области нижних частот рабочего диапазона, этот ШТ 1:2. Проводник 3-3' в ШТЛ образует понижающую его обмотку, а соединенные последовательно проводники 3-3' и 4-4' –его повышающую обмотку (проводники ФЛ заменяются непосредственными соединениями). Нижняя граница рабочего диапазона ШТЛ определяется, как и для обычного низкочастотного трансформатора, значением индуктивности намагничивания, приведенной ко входу трансформатора. Как видно из рис.1.1.1,в, она равна индуктивности обмотки, образованной проводником 3-3'. Для этого ШТЛ 1:2 Кмин=2 (п.1 табл.1.1.1).
Рис.1.1.1,в
Рассмотрим теперь следующий по сложности ШТЛ 1:3 (рис.1.1.2,а,б), построенный по тому же принципу. Он состоит из трех идентичных двухпроводных линий (W;x), соединенных на входе параллельно, а на выходах последовательно. В этом трансформаторе для обеспечения режима бегущей волны (как и в предыдущем ТШЛ 1:2) в процессе распространения колебаний в линиях нагрузка должна составлять 3W; при этом входное сопротивление равно W/3. Для устранения шунтирующего действия, обусловленного наличием синфазных токов, вторая (проводники 3-3' и 4-4') и третья (проводники 5-5' и 6-6') линии размещаются на раздельных или общем (рис.1.1.2,в) магнитопроводах. В области нижних частот рабочего диапазона (х≈0) структура этого ТШЛ (рис.1.1.2,в) принципиально отличается от структуры обычного низкочастотного трансформатора присутствием избыточных обмоток, образованных проводниками 4-4' и 5-5'. Для этого ТШЛ 1:3 К=6 вместо Кмин=3 (согласно п.1 табл.1.1.1). Эта избыточность в значении Кявляется платой за согласование волнового процесса распространения колебаний.
Поскольку напряжения на обмотках (рис.1.1.2,в), относящихся к разным линиям, различаются вдвое, то при размещении этих линий на общем магнитопроводе (рис.1.1.2,б) число витков обмоток должно отличатся в два раза, а направление их намотки определяется полярностью напряжений на проводниках.
При этом шунтирующая индуктивность намагничивания, отнесенная к входу трансформатора (L1),будет определяться индуктивностью обмотки, образованной проводником 3-3', т.е. обмотки, напряжение на которой равно входному. Разное число витков для второй и третьей линий, размещаемых на общем магнитопроводе (при соблюдении требований равной их длины для выполнения согласования волнового процесса), приводит к необходимости включения (рис.1.1.2,б) еще одной ФЛ (по сравнению с ШТЛ 1:2). При размещении линий на разных магнитопроводах L1 определяется параллельным соединением индуктивности обмотки, образованной проводником 3-3', и одной четвертой части индуктивности обмотки, образованной проводником 6-6'. Если эти индуктивности одинаковы, то L1в 5 раз меньше (соответственно в 5 раз выше fн), чем при размещении линий на общем магнитопроводе.