Диагностика пучков заряженных частиц (стр. 16 )

Трансформаторы на длинных линиях

Передача энергии от источника в нагрузку трансформатора осуществляется отнюдь не магнитным полем, «силовые линии которого сцепляют первичную и вторичную обмотки», как это принято считать. Ферритовый (или железный) сердечник трансформатора является всего лишь граничным условием – это зона большого шунтирующего импеданса (см. разд. 7), много большего, чем импеданс входной (выходной) линии трансформатора. Электромагнитная энергия распространяется по связанным между собой линиям передачи. Сердечник трансформатора есть то, что обуславливает эту связь.

Пусть на рис. 8.3 (слева) внутренняя линия трансформатора имеет такой же импеданс, что и входная и нагрузочная линии трансформатора. И пусть время пролёта сигнала по этой линии равно , а источник сигнала генерирует короткий импульс.

Достигший трансформатора импульс огибает его сердечник по цепи, изображённой на рис. 8.3 (справа). Идём по часовой стрелке: «входной импеданс внутренней линии (импульс входит в линию сверху) – нагрузка трансформатора – входной импеданс внутренней линии (импульс входит в линию снизу)». Импульсы, вошедшие во внутреннюю линию, по достижении её концов следуют по цепям, также огибающим сердечник трансформатора. Всякий раз на стыке цепей с разным импедансом имеются прошедшие и отражённые сигналы.

В нашем случае (импеданс внутренней линии равен импедансу внешних линий) прошедшая серия состоит из двух импульсов (интервал между импульсами равен ) с амплитудами 0.5, 0.5, отражённая – из двух импульсов с амплитудами 0.5, –0.5 (рис. 8.4). Если импеданс внутренней линии не равен импедансу внешних линий, картина, разумеется, сложнее. В случае ступенчатого сигнала имеет место задержка фронта.

В импульсной технике эффект блуждания сигнала по внутренним линиям трансформатора обычно описывается с помощью так называемой индуктивности рассеивания. При этом полагается, что эта индуктивность есть результат «неполного сцепления потоков магнитных полей первичной и вторичной обмоток». На эту мысль наводит тот факт, что если импеданс внутренней линии трансформатора устремить к нулю, то устремится к нулю запасённая в ней энергия и, соответственно, «индуктивность рассеивания». Однако возможна такая конфигурация трансформатора, при которой неполное сцепление потоков не приводит к появлению «индуктивности рассеивания».

Трансформатор без «индуктивности рассеивания»

На рис. 8.5 (слева) изображён трансформатор типа «длинная линия», который не имеет пресловутой «индуктивности рассеивания».

Сигнал, распространяющийся по линии слева в направлении трансформатора, встречает препятствие – большое шунтирующее сопротивление ферритового сердечника, и вместе с тем две последовательно соединённые внутренние линии, по которым он и продолжает своё дальнейшее движение. При правильном импедансе (в данном случае 0.5) и равной длине внутренних линий полоса такого трансформатора в принципе не ограничена никакой «индуктивностью рассеивания».

Справа на рис. 8.5 изображён трансформатор импеданса . Сердечник может быть общим. С помощью двух подобных каскадов можно осуществить трансформацию импеданса в отношении .

Для получения наибольшей полосы трансформатор должен иметь необходимое число секций – с импедансом внутренних линий , в которых первичная и вторичная обмотки имеют равное количество витков m (рис. 8.6). Секция может быть одновитковая, как это изображено на рис. 8.5 (слева) или многовитковая. В любом случае обмотки должны быть вложены одна в другую, как это изображено на рис. 8.6 (справа). Здесь импеданс внутренних линий это импеданс линий, образуемых соседними проводниками.

Мостовой трансформатор типа «длинная линия»

На рис. 8.7 (слева) приведена эквивалентная схема базового элемента (БЭ) мостового трансформатора типа «длинная линия». БЭ представляет собой коаксиальный кабель, который намотан на ферритовом сердечнике. С одной стороны оплётка кабеля заземлена, это внешний порт трансформатора. С другой стороны кабель изолирован от земли (настолько, насколько велик шунтирующий импеданс сердечника БЭ, здесь это индуктивность ). Если схему БЭ дополнить дросселем, как это изображено на рис. 8.7 в центре, шунтирующий импеданс которого равен шунтирующему импедансу сердечника БЭ, то получим почти идеальный преобразователь однополярного сигнала в противофазный. На рис. 8.7 (справа) представлена мостовая схема соединений внутренних портов шести БЭ. Легко видеть, что порты 1–2 и 3–4, порты 1–3 и 2–4 и порты 1–4 и 3–2 трансформатора попарно ортогональны.

На рис. 8.8 приведена та же схема. Источники сигнала с внутренними сопротивлениями равными импедансу линий (или только нагрузки) включаются в рёбра тетраэдра. Противоположные рёбра тетраэдра образуют ортогональную пару – сигнал из одного ребра не попадает в другое. Если сигналы на парах портов (1–2, 3–4), (1–3, 2–4) или (1–4, 3–2) имеют одинаковые амплитуды и фазы (назовём их когерентными), то они попадут только на порты (1–4, 3–2), (1–4, 3–2) или (1–2, 3–4) соответственно.

Мостовые трансформаторы типа «длинная линия» применяются для распределения сигналов источника, для суммирования сигналов источников почти когерентных сигналов и для формирования когерентных сигналов из почти когерентных сигналов источников. При этом некогерентные части сигналов поглощаются в балластных нагрузках, подключенных к свободным портам трансформатора.

Некорректные схемы с мостовым трансформатором в качестве прототипа

Порты 1–2 и 3–4 мостового трансформатора ортогональны. Поэтому их можно соединить последовательно, как на рис. 8.9, или параллельно для работы от общего источника или на общую нагрузку. Аналогично можно поступить с ортогональными портами 1–3 и 2–4.

Пусть к последовательно соединённым портам подключены источники с соответствующими выходными импедансами, а к портам 3–2 и 1–4 – нагрузки. Здесь кроме прочего заземлена одна внутренняя точка трансформатора – имеем право. Пока всё вполне корректно. Очевидно, что линии, заземлённые с обеих сторон, не нуждаются в сердечнике. Более того, с точностью до времени распространения сигнала их можно вообще упразднить. Трансформатор приобретает вид, представленный на рис. 8.10 (слева), или ещё более простой вид, представленный на рис. 8.10 (справа).

Такой трансформатор является основным элементом схемы для суммирования сигналов от двух источников, между которыми необходима ортогональность, например, от двух антенн, работающих в разных диапазонах. Или, напротив, для распределения сигнала одной антенны на два приёмника с целью исключения проникновения отраженного от одного приёмника сигнала на вход другого.

Так как последние трансформаторы по большому счёту некорректны, рабочая полоса их тем больше, чем короче их линии.

Двойной балансный смеситель

Некорректный мостовой трансформатор применяется в балансных смесителях (рис. 8.11).

Здесь линиями являются витые тройки проводов, намотанные на ферритовых сердечниках. Порты RF (Radio Frequency) и IF (Intermediate Frequency) левого трансформатора ортогональны. Также взаимно ортогональны верхний и нижний порты этого трансформатора.

ВЧ-сигнал, поступающий на левый порт (RF), модулируется
НЧ-сигналом, поступающим на нижний порт (IF). Здесь порт LO (Local Oscillator) – выход. При переносе частоты сигнала вниз левый и правый порты используются как входы, а нижний – как выход.

9. Фильтры постоянного импеданса и дуальные цепи

Обычно в справочниках по расчёту фильтров предлагаются согласованные с обеих сторон лестничные фильтры, которые начинаются с последовательной или параллельной индуктивности или ёмкости [5]. Следует иметь в виду, что сигналы с частотами за пределами полосы прозрачности отражаются от фильтра такого типа в нагрузку со стороны источника сигнала, что в ряде случаев нежелательно. Так, фильтр на выходе смесителя или усилителя мощности не должен что-либо отражать. В идеале нагрузка этих устройств должна иметь импеданс, который не зависит от частоты сигнала – постоянный импеданс.