Заглушка (электроника)

В микроволновой и радиочастотной технике шлейф или резонансный шлейф представляет собой отрезок линии передачи или волновода , подключенный только на одном конце. Свободный конец шлейфа либо оставляют разомкнутым, либо закорачивают (как всегда в случае волноводов). Если пренебречь потерями в линии передачи, входное сопротивление шлейфа является чисто реактивным ; либо емкостный , либо индуктивный , в зависимости от электрической длины шлейфа и от того, обрыв он или короткое замыкание. Таким образом, шлейфы могут функционировать как конденсаторы , катушки индуктивности и резонансные контуры на радиочастотах.

Поведение заглушек обусловлено стоячими волнами по их длине. Их реактивные свойства определяются их физической длиной по отношению к длине волны радиоволн. Поэтому шлейфы чаще всего используются в цепях УВЧ или СВЧ , в которых длины волн достаточно короткие, поэтому шлейф имеет небольшие размеры. ^[1] Их часто используют для замены дискретных конденсаторов и катушек индуктивности, поскольку на частотах УВЧ и СВЧ сосредоточенные компоненты работают плохо из-за паразитного реактивного сопротивления. ^[1] Шлейфы обычно используются в антенн схемах согласования импеданса , частотно-селективных фильтрах и резонансных цепях для электронных генераторов УВЧ и радиочастотных усилителей .

Шлейфы могут быть построены с любым типом линии передачи : параллельной проводящей линией (где они называются линиями Лехера ), коаксиальным кабелем , полосковой линией , волноводом и диэлектрическим волноводом . Шлейфовые цепи можно проектировать с использованием диаграммы Смита — графического инструмента, который позволяет определить, какую длину линии следует использовать для получения желаемого реактивного сопротивления.

Короткое замыкание шлейфа

Входное сопротивление короткозамкнутой линии без потерь равно:

Z_{\mathsf {sc}}~=~j\ Z_{0}\ \tan(\ \beta \ell \ )~

где

\ j\

– мнимая единица (

\ j^{2}\equiv -1\

),

\ Z_{0}\

- характеристическое сопротивление линии,

\ \beta =2\pi /\lambda \

- фазовая постоянная линии, а

\ \ell \

— физическая длина линии.

Таким образом, в зависимости от того, $\ \tan(\beta \ell )\$ положительный или отрицательный, то короткозамкнутый шлейф будет индуктивным или емкостным соответственно.

Длина шлейфа, который будет действовать как конденсатор $C$ на угловой частоте $\ \omega \$ тогда дается:

\ell ~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ (n+1)\ \pi \ -\ \arctan \left({\frac {1}{\ \omega CZ_{0}\ }}\right)\ \right]~;

Длина шлейфа, который будет действовать как индуктор $L$ на той же частоте, определяется выражением:

\ell ~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ n\ \pi \ +\ \arctan \left({\frac {\ \omega L\ }{\ Z_{0}\ }}\right)\ \right]~,

где в обоих уравнениях $n$ — целое число полуволн (возможно, ноль), которые можно произвольно добавить к линии без изменения импеданса.

Заглушка с открытой цепью

Входное сопротивление шлейфа разомкнутой цепи без потерь определяется выражением

Z_{\mathsf {oc}}=-j\ Z_{0}\ \cot(\ \beta \ell \ )~,

где символы $\ Z_{0},\beta ,\ell ,\omega ,\$ и т. д., используемые в этом разделе, имеют то же значение, что и в разделе выше.

Отсюда следует, что в зависимости от того, $\cot(\beta \ell )$ положительный или отрицательный, шлейф будет емкостным или индуктивным соответственно.

Длина шлейфа разомкнутой цепи, который будет действовать как индуктор $L$ при угловой частоте $\ \omega \$ является:

\ell ~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ (n+1)\ \pi \ -\ \operatorname {arccot} \left({\frac {\ \omega L\ }{Z_{0}}}\right)\ \right]~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ (n+1)\ \pi \ -\ \arctan \left({\frac {Z_{0}}{\ \omega L\ }}\right)\ \right]~;

Длина шлейфа разомкнутой цепи, который будет действовать как конденсатор $C$ на той же частоте, равна:

\ell ~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ n\ \pi \ +\ \operatorname {arccot} \left({\frac {1}{\ \omega CZ_{0}\ }}\right)\ \right]~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ n\ \pi \ +\ \arctan \left(\ \omega CZ_{0}\ \right)\ \right]~,

где опять же $n$ — произвольное целое число полуволн, которые можно вставить в сегмент (включая ноль).

Резонансный заглушка

Шлейфы часто используются в качестве резонансных контуров в генераторах и фильтрах с распределенными элементами . Шлейф разомкнутой цепи длиной $\scriptstyle l$ будет иметь емкостное сопротивление на низкой частоте, когда $\scriptstyle \beta l<\pi /2$ . Выше этой частоты импеданс является индуктивным. Точно $\scriptstyle \beta l=\pi /2$ шлейф представляет собой короткое замыкание. Качественно это такое же поведение, как и в последовательном резонансном контуре. Для линии без потерь константа изменения фазы пропорциональна частоте:

\beta ={\omega  \over v}

где v — скорость распространения, постоянная в зависимости от частоты для линии без потерь. Для такого случая резонансная частота определяется выражением:

\omega _{0}={\frac {\pi v}{2l}}

Хотя шлейфы функционируют как резонансные контуры, они отличаются от резонансных контуров с сосредоточенными элементами тем, что имеют несколько резонансных частот; в дополнение к основной резонансной частоте $\scriptstyle \omega _{0}\,$ , они резонируют на частоте, кратной этой частоте: $\scriptstyle n\omega _{0}\,$ . Импеданс не будет продолжать монотонно расти с частотой после резонанса, как в настроенной схеме с сосредоточенными параметрами. Оно будет расти до тех пор, пока $\scriptstyle \beta l=\pi$ в этот момент цепь будет разомкнута. После этой точки (которая является антирезонансной точкой) импеданс снова станет емкостным и начнет падать. Он будет продолжать падать до тех пор, пока $\scriptstyle \beta l=3\pi /2\,$ это снова представляет собой короткое замыкание. На этом этапе фильтрующее действие заглушки не удалось. Этот отклик заглушки продолжает повторяться с возрастающей частотой, чередуя резонанс и антирезонанс. Характерной чертой не только заглушек, но и всех фильтров с распределенными элементами является то, что существует некоторая частота, за которой фильтр выходит из строя и множество нежелательных полос пропускания . возникает ^[2]

Аналогично, шлейф короткого замыкания является антирезонатором при $\scriptstyle \pi /2$ , то есть он ведет себя как параллельный резонансный контур, но снова выходит из строя как $\scriptstyle 3\pi /2$ приближается. ^[2]

Заглушка сопоставления

Шлейфы могут согласовывать полное сопротивление нагрузки с характеристическим сопротивлением линии передачи. Заглушка располагается на расстоянии от груза. Это расстояние выбирается таким образом, чтобы в этой точке резистивная часть импеданса нагрузки была равна резистивной части характеристического импеданса за счет действия трансформатора импеданса на длине основной линии. Длина шлейфа выбирается такой, чтобы он точно компенсировал реактивную часть представленного сопротивления. Шлейф делается емкостным или индуктивным в зависимости от того, имеет ли основная линия индуктивное или емкостное сопротивление соответственно. Это не то же самое, что фактическое сопротивление нагрузки, поскольку реактивная часть сопротивления нагрузки будет подвергаться действию трансформатора импеданса, а также резистивная часть. Соответствующие заглушки можно сделать регулируемыми, чтобы можно было корректировать соответствие во время испытания. ^[3]

Один шлейф обеспечивает идеальное согласование только на одной конкретной частоте. Для широкополосного согласования можно использовать несколько шлейфов, расположенных вдоль основной линии передачи. Полученная структура подобна фильтру, и применяются методы проектирования фильтров. Например, согласующая схема может быть спроектирована как фильтр Чебышева , но оптимизирована для согласования импедансов, а не для передачи в полосе пропускания. Получающаяся в результате функция передачи сети имеет неравномерность полосы пропускания , подобную фильтру Чебышева, но неравномерность никогда не достигает вносимых потерь 0 дБ в любой точке полосы пропускания, как это было бы для стандартного фильтра. ^[4]

Радиальная заглушка

Радиальные заглушки — это плоский компонент, состоящий из сектора круга, а не линии постоянной ширины. Они используются с планарными линиями передачи , когда требуется шлейф с низким импедансом. Линии с низким характеристическим сопротивлением требуют широкой линии. У широкой лески место соединения заглушки с основной леской находится не в четко определенной точке. Радиальные заглушки преодолевают эту проблему за счет сужения в точке соединения. В схемах фильтров с использованием шлейфов их часто используют парами, подключая по одному к каждой стороне основной линии. Пара радиальных заглушек, соединенных таким образом, называется заглушкой-бабочкой или заглушкой-бабочкой. ^[5]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Шуарт, Джордж В. (октябрь 1934 г.). «Новые линии с высоким сопротивлением заменяют катушки» (PDF) . Коротковолновое ремесло . 5 (6). Нью-Йорк: Popular Book Corp.: 332–333 . Проверено 24 марта 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Ганеш Прасад Шривастава , Виджай Лакшми Гупта, СВЧ-устройства и проектирование схем , стр. 29–31, PHI Learning, 2006 г. ISBN 81-203-2195-2 .
^ Ф. Р. Коннор, Передача волн , стр. 32–34, Edward Arnold Ltd., 1972. ISBN 0-7131-3278-7 .
^ Маттеи, Г.; Янг, Л.; Джонс, ЕМТ, Микроволновые фильтры, сети согласования импеданса и структуры связи , стр. 681–713, McGraw-Hill, 1964.
^ Цзя-Шен Г. Хонг, М.Дж. Ланкастер, Микрополосковые фильтры для ВЧ/СВЧ-приложений , стр. 188-190, Wiley, 2004 г. ISBN 0471464201 .

См. также

Четвертьволновой трансформатор импеданса

[Shuart-1] Перейти обратно: ^а ^б Шуарт, Джордж В. (октябрь 1934 г.). «Новые линии с высоким сопротивлением заменяют катушки» (PDF) . Коротковолновое ремесло . 5 (6). Нью-Йорк: Popular Book Corp.: 332–333 . Проверено 24 марта 2015 г.

[Gupta-2] Перейти обратно: ^а ^б Ганеш Прасад Шривастава , Виджай Лакшми Гупта, СВЧ-устройства и проектирование схем , стр. 29–31, PHI Learning, 2006 г. ISBN 81-203-2195-2 .

[3] Ф. Р. Коннор, Передача волн , стр. 32–34, Edward Arnold Ltd., 1972. ISBN 0-7131-3278-7 .

[4] Маттеи, Г.; Янг, Л.; Джонс, ЕМТ, Микроволновые фильтры, сети согласования импеданса и структуры связи , стр. 681–713, McGraw-Hill, 1964.

[5] Цзя-Шен Г. Хонг, М.Дж. Ланкастер, Микрополосковые фильтры для ВЧ/СВЧ-приложений , стр. 188-190, Wiley, 2004 г. ISBN 0471464201 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]