Соединительные линии высокочастотных схем
Соединительные линии или линии передач играют важную роль и в радиочастотных схемах, где они используются как путепровод для сигналов от одного участка к другому внутри схемы и часто к антенному комплексу. Линии передачи представляют собой одно из важных исключений по отношению к основному принципу:
полное сопротивление источника сигналов в идеале должно быть малым по сравнению с сопротивлением нагрузки, создаваемым возбуждаемой цепью, а нагрузка должна иметь входное сопротивление, большее по сравнению с сопротивлением источника, на нее включенного.
Эквивалентное правило для линий передач заключается в том, что нагрузка (и, возможно, источник) должна иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Линия в этом случае «согласована».
Линии передач для сигналов не слишком высоких частот (скажем, до 1000 МГц) бывают в основном двух типов: параллельные проводники и коаксиальные линии. Первые обычно представляют собой недорогой облитый «двужильный» провод с волновым сопротивлением 300 Ом, используемый для передачи сигнала от телевизионной антенны к приемнику, а вторые широко используются в виде коротких отрезков с разъемами BNC для передачи сигналов между приборами.
В схемах СВЧ-диапазона применяется техника полосковых линий, при которой параллельные проводники линий передачи являются частью рабочей цепи, а на более высоких «микроволновых» частотах (скажем, свыше 2 ГГц) обычные элементы схем и линии передач заменяются резонаторами и волноводами, соответственно. За исключением этих экстремальных частот, в большинстве радиочастотных схем, вероятно, лучше всего выбрать хорошо знакомые коаксиальные кабели. По сравнению с линией из параллельных проводников согласованные коаксиальные линии, будучи целиком экранированными, обладают некоторым преимуществом, поскольку исключают влияние излучения и наводок от внешних сигналов.
Волновое сопротивление и согласование
Линия передачи, в любой своей форме, имеет «волновое сопротивление» Z0, означающее, что волна, бегущая вдоль линии, имеет соотношение напряжение/ток, равное Z0. В линиях без потерь Z0 чисто активное и равно √(L/C), где L- индуктивность, а С- емкость на единицу длины. Полное сопротивление типичной коаксиальной линии лежит в пределах 50-100 Ом, в то время как линии с параллельными проводниками имеют диапазон сопротивлений 300-1000 Ом.
При работе с сигналами высокой частоты (или с короткими временами нарастания) важно «согласовать» нагрузку с волновым сопротивлением линии. Основными моментами являются следующие:
а) линия передачи, заканчивающаяся нагрузкой, имеющей сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, будет передавать импульс в оконечное устройство без искажений;
б) сопротивление такой линии конечной длины на любой частоте с любого ее конца равно ее волновому сопротивлению.
Это является неожиданным, во-первых, потому, что на низких частотах длинный коаксиальный кабель — небольшая емкостная нагрузка, в основном с достаточно высоким (емкостным) импедансом. Кроме того, на низких частотах (длина волны много больше длины кабеля) отсутствует необходимость в согласовании сопротивления линии при условии, что вы можете обеспечить перезаряд ее емкости (обычно 100 пФ на метр длины). Во-вторых, если кабель заканчивается резистором, то он вдруг непонятным образом становится чисто активным сопротивлением при всех частотах.
Несогласованные линии передач
Некоторый интерес представляют несогласованные линии, свойства которых иногда бывает полезно использовать. В линиях, закороченных на конце, образуется отраженная волна противоположной полярности, причем время задержки отраженной волны определяется электрической длиной линии.
Скорость распространения волны в коаксиальном кабеле составляет примерно 2/3 скорости света в вакууме, так как волна проходит по твердому диэлектрику.
Это связано с тем, что в закороченном контуре на конце имеется точка нулевого потенциала и соблюдение этого граничного условия в кабеле требует возникновения волны противоположной фазы на короткозамкнутом конце. Точно так же для разомкнутого кабеля (граничные условия нулевого тока на конце) получается неинвертированное отражение с амплитудой, равной амплитуде подаваемого сигнала.
Эти свойства закороченного кабеля иногда используют для генерации коротких импульсов ступенчатой формы. Ступенька напряжения подается на вход кабеля через сопротивление, равное Z0, причем с другого конца кабель закорочен. На входе кабеля образуется прямоугольный импульс, так как отраженная ступенька гасит входной сигнал. При этом длительность импульса равна времени прохода ступеньки туда и обратно.
В кабелях конечной длины с сопротивлением R ≠ Z0 также формируется отраженная волна, хотя и меньшей амплитуды. Если R < Z0, то отраженная волна инвертируется, если R > Z0, то не инвертируется. Отношение амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны определяется выражением Aотр/Aпад = (R — Z0)/(R + Z0).
Линии передач в частотной области
В частотной области согласованная линия передачи с удаленным концом рассматривается как нагрузка, имеющая импеданс Z0, т. е. если потери в линии незначительны, то линия передачи — чисто активная нагрузка. Физический смысл этого утверждения состоит в том, что раз линия восприняла любую вашу волну, то вся мощность выделится на согласующем резисторе. Это правило независимости от длины кабеля или длины волны. Но когда вы имеете дело с несогласованными линиями, приходится рассматривать поведение линии в частотной области.
Так как при данной длине линии навстречу входному сигналу возникает отраженная волна, фаза которой (по отношению к сигналу) зависит от частоты, полное сопротивление со стороны входа зависит от степени несогласования и электрической длины, измеренной в длинах волн.
Так, например, входной импеданс линии, длина которой равна нечетному числу λ/4 и которая заканчивается на дальнем конце нагрузкой с импедансом ZH, равен
ZBX = Z02/ ZH
Если нагрузка активная, то и входной импеданс будет активным. С другой стороны, линия, длина которой равна целому числу полуволн, имеет входное сопротивление, равное сопротивлению на ее конце.
Наличие в линии передачи отраженной волны не всегда плохо. При работе на одной частоте несогласованной линией можно управлять (с помощью линейного тюнера) путем согласования ее результирующего входного сопротивления, причем потери в линии будут весьма незначительно превышать потери в линии с согласованной нагрузкой (благодаря увеличению напряжения и тока при той же первичной мощности).
Но у несогласованных линий свойства меняются на различных частотах (известная «схема Смита» может быть использована для определения полного сопротивления линии передачи и коэффициента стоячей волны (КСВ)-меры амплитуды отраженных волн), что нежелательно для широкополосных и многочастотных применений. В общем следует нагружать линию передач волновым сопротивлением, по крайней мере со стороны приемного конца.
Отрезки линий, согласующие устройства и трансформаторы
Есть несколько интересных применений линий передач, в которых либо используются свойства несогласованных отрезков, либо необычным образом используются секции линий общего пользования. Например, четвертьволновые согласующие отрезки, для которых выполняется соотношение ZBX = Z02/ ZH. Это выражение можно представить как Z0 = ( ZBXZH).
Другими словами, с помощью четвертьволновых отрезков можно согласовать любые два импеданса путем подбора согласующей секции с подходящим волновым сопротивлением.
Аналогично короткие линии передач («отрезки») можно использовать для «настройки» несогласованной нагрузки, располагая «отрезки» поперек или последовательно по отношению к несогласованной линии, точно подбирая при этом длину отрезка, тип его окончания (замкнутый или разомкнутый) и его положение непосредственно вдоль несогласованной линии. В этом случае отрезки работают фактически как схемные элементы, а не как линии передач. При очень коротких волнах использование секций линий передач в качестве элементов схемы — обычное явление.
Секции линии передач (или трансформатор из нескольких соединенных между собой обмоток) можно использовать для построения “baluns” — устройств, согласующих несбалансированную линию (коаксиальную) со сбалансированной нагрузкой (например, антенной). Есть простые конфигурации, которые создают согласование одновременно с фиксированным преобразованием импеданса (обычно 1:1 или 4:1).
Вероятно, самыми удачными схемными элементами, построенными из линий, являются широкополосные преобразователи. Эти устройства представляют собой либо просто несколько витков миниатюрного коаксиального кабеля, либо это пара скрученных проводов, намотанная на ферритовый стержень с соответствующими соединениями. В них отсутствуют высокочастотные ограничения, присущие обычным трансформаторам (вызываемые резонансным сочетанием паразитной емкости и индуктивности обмотки), так как катушка устроена таким образом, что емкость и индуктивность обмотки образуют линию передач, свободную от резонансов.
Они могут обеспечивать различные коэффициенты преобразования полного сопротивления с поражающими широкополосными характеристиками (например, от 0,1 до 500 МГц потери составляют меньше 1 дБ) — свойство, не присущее преобразователям, сконструированным на основе простой катушки с индуктивной связью. На рисунке показано несколько примеров преобразователей и трансформаторов, используемых в линиях.
Резонансные усилители
В высокочастотных схемах, предназначенных для связи или других применений, где рабочая частота ограничена узкой областью, принято использовать настроенные LC-цепи в качестве нагрузки коллектора или стока. Это дает несколько преимуществ:
а) большее усиление в одном каскаде, поскольку нагрузка представляет собой высокое полное сопротивление на частоте сигнала (KU = gmZH) и в то же время допускается произвольный ток покоя;
б) исключаются нежелательные эффекты емкостной нагрузки, так как контур LC «встраивает» любую емкость,- она становится частью настраиваемой емкости схемы;
в) упрощается межкаскадная связь, поскольку от LC-цепи можно делать ответвления или организовывать трансформаторную связь и даже строить резонансные согласованные цепи, как, например, П-образные четырехполюсные фильтры, чтобы получить любое желаемое согласование сопротивлений;
г) благодаря частотной селективности настраиваемого контура отсутствуют шумы и сигналы с частотами, не входящими в полосу.
Примеры настраиваемых схем ВЧ
Приведем несколько примеров применения настраиваемых контуров в генераторах и усилителях. На рисунке ниже изображена схема классического резонансного усилителя.
Полевой транзистор с двумя затворами обедненного типа позволяет избавиться от эффекта Миллера благодаря использованию нижнего затвора в качестве входного. Когда нижний затвор заземлен по постоянному току, через каскад идет ток IСО. Параллельный LC-контур настраивается на центральную частоту усиления, причем выход отделен от нагрузки с помощью повторителя на T2. Поскольку на стоке + 10 В, выходной повторитель требует большего коллекторного напряжения. Этот тип схемы имеет очень большое усиление в резонансе, ограничиваемое добротностью Q LC—контура и нагрузкой в виде повторителя.
Эта схема ГПЧ (генератора переменной частоты) применяется в качестве настроечного элемента в некоторых передатчиках и приемниках, а также как источник радиочастотных сигналов изменяемой частоты. В этом генераторе полевой транзистор с p-n-переходом обеспечивает необходимое усиление мощности благодаря положительной обратной связи от истока через L1. L1 имеет несколько меньшее число витков во вторичной обмотке, обеспечивая усиление по напряжению и, следовательно, генерацию. Добавив варикапный диод, который работает как конденсатор с управляемой напряжением емкостью, можно создать такой генератор перестраиваемой частоты. Отметим, что использование на выводах источника питания проходного конденсатора и развязывающего ВЧ — дросселя практикуется почти во всех радиочастотных схемах.
Далее на рисунке приведена схема усилительного каскада на 200 МГц на транзисторе с общим эмиттером.
В этой схеме осуществлена нейтрализация проходной емкости путем задания на вход тока противоположной фазы, компенсирующего ток емкостной связи, протекающий с выхода на вход. Снейтр — нейтрализующий конденсатор, подключенный к части коллекторной обмотки, в которой фаза противоположна по отношению к коллекторному напряжению. В этой схеме согласование выходного импеданса с линией также осуществляется автотрансформаторным отводом от коллекторного LC-контура, что является простым, но грубым методом.
Последняя схема представляет собой ВЧ-усилитель на 25 кВт, в котором используется триод с нулевым смещением на заземленной сетке.
