Заглушка (электроника)

Короткая линия электропередачи

Резонансные контуры шлейфа в ранцевом УВЧ- трансивере на электронных лампах , 1938 г. Длина около 1/8 длины волны: (слева) шлейф 200 МГц составляет 19 см, (справа) шлейф 300 МГц составляет 12,5 см.

10 кВт вещательный FM-передатчик 1947 года с резонансным контуром на четвертьволновой пластине

В микроволновой и радиочастотной технике шлейф или резонансный шлейф — это отрезок линии передачи или волновода , который подключен только с одного конца. Свободный конец шлейфа либо оставлен разомкнутым, либо закорочен (как это всегда бывает в волноводах). Пренебрегая потерями в линии передачи, входное сопротивление шлейфа является чисто реактивным ; либо емкостным , либо индуктивным , в зависимости от электрической длины шлейфа и от того, разомкнут он или закорочен. Таким образом, шлейфы могут функционировать как конденсаторы , индукторы и резонансные контуры на радиочастотах.

Поведение шлейфов обусловлено стоячими волнами вдоль их длины. 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 коротки, чтобы шлейф был удобно небольшим. ^[1] Их часто используют для замены дискретных конденсаторов и индукторов, поскольку на частотах УВЧ и СВЧ сосредоточенные компоненты работают плохо из-за паразитного реактивного сопротивления. ^[1] Шлейфы обычно используются в цепях согласования импеданса антенн , частотно-селективных фильтрах и резонансных контурах для электронных генераторов УВЧ и усилителей ВЧ .

Шлейфы могут быть построены с любым типом линии передачи : параллельными проводниками (где они называются линиями Лехера ), коаксиальным кабелем , полосковой линией , волноводом и диэлектрическим волноводом . Шлейфовые цепи могут быть спроектированы с использованием диаграммы Смита , графического инструмента, который может определить, какую длину линии использовать для получения желаемого реактивного сопротивления.

Короткозамкнутый шлейф

Входное сопротивление короткозамкнутой линии без потерь равно:

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

где

${\displaystyle \ j\ }$— мнимая единица ( ), ${\displaystyle \ j^{2}\equiv -1\ }$

${\displaystyle \ Z_{0}\ }$- характеристическое сопротивление линии,

${\displaystyle \ \beta =2\pi /\lambda \ }$- фазовая постоянная линии, а

${\displaystyle \ \ell \ }$— физическая длина линии.

Таким образом, в зависимости от того, положительный или отрицательный ли это заряд, короткозамкнутый шлейф будет индуктивным или емкостным соответственно. ${\displaystyle \ \tan(\beta \ell )\ }$

Длина отрезка, действующего как конденсатор C на угловой частоте , определяется по формуле: ${\displaystyle \ \omega \ }$

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

Длина шлейфа, действующего как индуктор L на той же частоте, определяется по формуле:

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

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

Разомкнутая цепь

Входное сопротивление шлейфа без потерь определяется по формуле

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

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

Из этого следует, что в зависимости от того, положительный или отрицательный линейный потенциал, шлейф будет емкостным или индуктивным соответственно. ${\displaystyle \cot(\beta \ell )}$

Длина разомкнутого отрезка цепи, действующего как индуктор L на угловой частоте, составляет: ${\displaystyle \ \omega \ }$

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

Длина разомкнутого шлейфа цепи, действующего как конденсатор C на той же частоте, составляет:

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

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

Резонансный заглушка

Шлейфы часто используются в качестве резонансных цепей в генераторах и фильтрах с распределенными элементами . Разомкнутый шлейф длиной будет иметь емкостное сопротивление на низкой частоте, когда . Выше этой частоты сопротивление становится индуктивным. При точно шлейф представляет собой короткое замыкание. Это качественно то же самое поведение, что и последовательный резонансный контур. Для линии без потерь постоянная изменения фазы пропорциональна частоте, ${\displaystyle \scriptstyle l}$ ${\displaystyle \scriptstyle \beta l<\pi /2}$ ${\displaystyle \scriptstyle \beta l=\pi /2}$

${\displaystyle \beta ={\omega \over v}}$

где v — скорость распространения и постоянна с частотой для линии без потерь. Для такого случая резонансная частота определяется как,

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

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 они резонируют на кратных этой частоте: . Импеданс не будет продолжать монотонно расти с частотой после резонанса, как в сосредоточенном настроенном контуре. Он будет расти до точки, в которой он будет разомкнутым контуром. После этой точки (которая является точкой антирезонанса ) импеданс снова станет емкостным и начнет падать. Он будет продолжать падать, пока в нем снова не возникнет короткое замыкание. В этой точке фильтрующее действие шлейфа не срабатывает. Этот ответ шлейфа продолжает повторяться с возрастающей частотой, чередуясь между резонансом и антирезонансом. Характерной чертой шлейфов, но и всех фильтров с распределенными элементами является то, что существует некоторая частота, за пределами которой фильтр выходит из строя и создаются множественные нежелательные полосы пропускания . ^[2] ${\displaystyle \scriptstyle \omega _{0}\,}$ ${\displaystyle \scriptstyle n\omega _{0}\,}$ ${\displaystyle \scriptstyle \beta l=\pi }$ ${\displaystyle \scriptstyle \beta l=3\pi /2\,}$

Аналогично, короткозамкнутый шлейф является антирезонатором при , то есть он ведет себя как параллельный резонансный контур, но снова выходит из строя при приближении к . ^[2] ${\displaystyle \scriptstyle \pi /2}$ ${\displaystyle \scriptstyle 3\pi /2}$

Соответствие заглушек

В полосковой схеме заглушка может быть размещена непосредственно перед выходным разъемом для компенсации незначительных несоответствий, вызванных выходной нагрузкой устройства или самим разъемом.

Шлейфы могут согласовывать сопротивление нагрузки с характеристическим сопротивлением линии передачи. Шлейф располагается на расстоянии от нагрузки. Это расстояние выбирается таким образом, чтобы в этой точке резистивная часть сопротивления нагрузки становилась равной резистивной части характеристического сопротивления за счет действия трансформатора сопротивления длины основной линии. Длина шлейфа выбирается таким образом, чтобы она точно компенсировала реактивную часть представленного сопротивления. Шлейф делается емкостным или индуктивным в зависимости от того, представляет 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 сопротивления и резистивной части. Согласующие шлейфы можно сделать регулируемыми, чтобы согласование можно было скорректировать при испытании. ^[3]

Одиночный шлейф может достичь идеального соответствия только на одной определенной частоте. Несколько шлейфов могут быть использованы с интервалом вдоль основной линии передачи для широкополосного согласования. Результирующая структура подобна фильтру, и применяются методы проектирования фильтров. Например, согласующая сеть может быть спроектирована как фильтр Чебышева, но оптимизирована для согласования импеданса вместо передачи в полосе пропускания. Результирующая функция передачи сети имеет пульсацию в полосе пропускания , как у фильтра Чебышева, но пульсации никогда не достигают 0 дБ вносимых потерь в любой точке полосы пропускания, как это было бы для стандартного фильтра. ^[4]

Радиальный штифт

Микрополосковый фильтр с использованием бабочковидных элементов

Радиальные шлейфы представляют собой плоский компонент, состоящий из сектора круга, а не из линии постоянной ширины. Они используются с плоскими линиями передачи , когда требуется шлейф с низким импедансом. Линии с низким характеристическим импедансом требуют широкой линии. В широкой линии соединение шлейфа с основной линией не находится в четко определенной точке. Радиальные шлейфы преодолевают эту трудность, сужая до точки в соединении. Фильтрующие схемы, использующие шлейфы, часто используют их парами, по одному с каждой стороны основной линии. Пара радиальных шлейфов, соединенных таким образом, называется шлейфом-бабочкой или шлейфом-бабочкой. ^[5]

Ссылки

1. Shuart, George W. (октябрь 1934 г.). «Новые высокоимпедансные линии заменяют катушки» (PDF) . Short Wave Craft . 5 (6). New York: Popular Book Corp.: 332–333 . Получено 24 марта 2015 г. .
2. Ганеш Прасад Шривастава , Виджай Лакшми Гупта, Микроволновые приборы и схемотехническое проектирование , стр. 29-31, PHI Learning, 2006 ISBN 81-203-2195-2 . 
3. FR Connor, Wave Transmission , стр. 32-34, Edward Arnold Ltd., 1972 ISBN 0-7131-3278-7 . 
4. Маттеи, Г.; Янг, Л.; Джонс, ЭМТ, 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 ISBN 0471464201 . 

Смотрите также

• Четвертьволновой трансформатор сопротивления