Колебательные системы в виде резонансных линий

При повышении частоты качество Q обычных колебательных контуров, составленных из катушки и конденсатора, уменьшается и становится недопустимо малым. Действительно, с повышением частоты быстро растут потери энергии. За счет поверхностного эффекта увеличивается сопротивление проводов.

Возрастают потери в твердых диэлектриках. Особенно значительными становятся потери на излучение на СВЧ, так как размеры элементов контура получаются одного порядка с длиной волны. Контур работает как антенна и его уже нельзя считать замкнутым. Сильное излучение создает также паразитные связи этого контура с другими целями. Увеличение потерь приводит к возрастанию активного сопротивления контура r.

В то же время характеристическое сопротивление контура значительно уменьшается. Величина ρ связана с первичными параметрами контура L и С следующим соотношением:

Для повышения частоты нужно уменьшать L и С контура. Однако значительное уменьшение величины С невозможно, так как в нее входят междуэлектродные емкости лампы, подключенной к контуру, и емкость монтажа. Кроме того, часто приходится включать в контур для настройки конденсатор переменной емкости. Поэтому емкость контура обычно не может быть меньше 5—10 пф. Приходится для получения нужной частоты уменьшать во много раз индуктивность, и величина ρ снижается. В результате качество контура Q, равное ρ/r, резко ухудшается, и это является важнейшей причиной, заставившей применять на свч иные колебательные системы.

На сантиметровых волнах и частично на дециметровых устройство контуров обычного типа становится вообще невозможным, так как даже короткий проводник, соединяющий электроды лампы, и казалось бы просто замыкающий их, обладает слишком большой индуктивностью.

Следующий пример дает представление об индуктивности, которой должен обладать контур, имеющий емкость С=10 пф, для случая, когда частота fo = 1000 Мгц = 1 000 000 кгц (длина волны = 30 см).

По формуле

Прямолинейный проводник длиной в 1 м имеет индуктивность порядка единиц микрогенри. Следовательно, в данном случае индуктивность контура должна представлять собой проводник длиной всего лишь в несколько миллиметров, что явно неосуществимо.

Таким образом, контуры обычного типа, как правило, могут быть использованы лишь на волнах не короче метровых. Только в редких случаях на наиболее длинных дециметровых волнах (70 - 100 см) встречаются контуры, у которых в качестве индуктивности используется полувиток трубки или проволоки, а емкостью является междуэлектродная емкость лампы, причем для уменьшения ее влияния и для настройки последовательно включают конденсатор переменной емкости с максимальной емкостью в несколько пикофарад. Подобные контуры обладают довольно низким качеством.

Разомкнутая или короткозамкнутая линии, имеющие длину, кратную 1/4 λ , эквивалентны последовательному или параллельному резонансному контуру. Отрезки симметричных или коаксиальных линий являются наиболее распространенными колебательными системами для диапазона дециметровых воля.

В большинстве приемных и передающих схем встречаются главным образом параллельные контуры. Поэтому основным типом контура для дециметровых волн является четвертьволновый отрезок короткозамкнутой симметричной или коаксиальной линии. Входное сопротивление такой линии при настройке в резонанс имеет весьма большую величину и является чисто активным. При расстройте в ту или иную сторону от резонанса входное сопротивление уменьшается и приобретает емкостный или индуктивный характер. Как известно, именно так изменяется вблизи резонанса полное сопротивление параллельного резонансного контура.

Резонансные линии, работающие в качестве колебательных контуров, обладают высоким качеством Q, которое может доходить до нескольких тысяч.

С укорочением длины волны, т. е. с повышением частоты, качество резонансных линий Q увеличивается, что является большим их преимуществом по сравнению с обычными контурами.

Резонансная линия обычно бывает подключена к лампе, и поэтому к входу линии оказывается присоединенной межэлектродная емкость. В этом случае колебательной системой является линия совместно с емкостью лампы, и для получения резонанса на некоторой частоте fо необходимо, чтобы входное сопротивление линии Zвх было индуктивным и равным емкостному сопротивлению 1/2nfoC.

Короткозамкнутая линия имеет индуктивное входное (сопротивление при длине, меньшей λ/4. Таким образом, практически приводится брать не четвертьволновую, а более короткую линию.

Во многих случаях необходима настройка линии на некоторый диапазон частот. Даже при работе на одной частоте колебательная система должна иметь устройство для подстройки на нужную частоту.

Настройка симметричной линии чаще всего производится с помощью подвижного короткозамыкателя, перемещение которого вдоль линии меняет ее длину. (рис.1 а).

Чтобы устранить недостаток этого метода — непостоянство трущегося контакта,— нередко осуществляют настройку конденсатором переменной емкости, включенным на вход линии (рис.1 6). Увеличение его емкости дает настройку на более длинную волну.
Иногда конденсатор для настройки включают в конец линии, вместо короткозамыкателя (рис. 1 б). Тогда, если емкость его велика, а следовательно, сопротивление мало, то линия близка к короткозамкнутой и резонансная длина волны примерно в 4 раза больше длины линии; в случае же наименьшей емкости линия близка к разомкнутой и резонансная длина волны получается примерно в 2 раза длиннее линии. Практически удается получить диапазон с отношением несколько меньше 2.

Колебательные системы в виде симметричных линий обладают тем недостатком, что они создают значительное внешнее электромагнитное поле. Вследствие этого образуются паразитные связи с другими цепями и велики потери на излучение. В таких линиях весьма заметны потери и в самих проводах, имеющих сравнительно малый диаметр. Для устранения излучения и паразитных связей иногда применяют экранировку линии, но и при ней потери остаются значительными.

Более высокими качествами Обладают контуры, сделанные из коаксиальных линий. Потери в них малы, так как провода имеют большую поверхность и отсутствует излучение благодаря тому, что внешний проводник является экраном. Очевидно, что устраняются и паразитные связи с другими цепями. Все точки наружной поверхности внешнего провода коаксиальной линии имеют нулевой потенциал, и поэтому линия может быть смонтирована без всякой изоляции.

Коаксиальные резонансные линии удобны еще потому, что для работы с ними выпускаются специальные лампы, у которых выводы от электродов сделаны цилиндрической формы. В соединении с внешним коаксиальным контуром такие выводы составляют один общий контур.

Для настройки коаксиальных контуров путем изменения их длины вдоль линии перемещается короткозамыкающий поршень, называемый плунжером (рис.2). Этот метод дает настройку в довольно широких пределах. Необходимо, чтобы плунжер перемещался легко и плавно и вместе с тем имел хороший контакт по всей окружности как с внешним, так и с внутренним проводниками. Для обеспечения лучшего контакта по окружности плунжера делаются гибкие контактные пружины.

Несмотря на то, что были предложены многочисленные конструкции плунжеров, все же трущийся контакт с проводами линии создает значительные потери и не обладает постоянством. Можно устранить трущийся контакт и сделать небольшой зазор между плунжером и проводниками линии. Тогда линия будет уже не короткозамкнутая, а нагруженная на емкость, образованную этим зазором. При таком без контактном плунжере настройка получается на более узкий диапазон. Кроме того, трудно обеспечить постоянство настройки, так как возможны изменения величины зазора.

Часто применяется настройка с помощью конденсатора переменной емкости на входе коаксиальной линии. Однако устройство такого конденсатора с изменением емкости в больших пределах представляет трудности. Его легче осуществить при малых мощностях, когда напряжения невысокие, а следовательно, возможно установить малое расстояние между обкладками конденсатора; при более высоких напряжениях это расстояние должно быть значительным. Простая конструкция подобного конденсатора показана на рис.3, но она не обеспечивает настройку в широком диапазоне.

Связь резонансных линий с другими цепями применяется как для отбора энергии электромагнитного поля от этих линий, так и для подведения к ним энергии. Симметричные линии чаще всего связываются с другими цепями индуктивно. Для связи применяется виток или полувиток провода (рис.4). Чем больше размеры этого витка и чем ближе он к короткозамкнутому концу линии, тем сильнее связь. Кроме того, связь будет более сильной, если плоскости линии и витка параллельны друг другу, особенно, когда виток расположен в плоскости самой линии. В этом случае виток пронизывается наиболее сильным магнитным потоком. Изменение связи достигается перемещением витка относительно линии. Можно, например, поворачивать плоскость витка относительно плоскости линии.

Индуктивная или магнитная связь (рис.5 а) осуществляется с помощью витка (петли) связи, который обычно является окончанием коаксиальной соединительной линии и располагается вблизи конца линии, где магнитное поле наиболее сильное. Для изменения связи виток поворачивают, и тогда изменяется величина магнитного потока, пронизывающего виток.

Емкостная или электрическая связь показана в двух вариантах на рис.5 б и в. В этом случае внутрь линии в радиальном направлении вводят штырек, иногда называемый зондом. Благодаря тому, что он располагается вдоль электрических силовых линий, в нем создается некоторая переменная эдс (при отборе энергии). Штырек обычно представляет собой конец внутреннего провода коаксиального кабеля. Чем больше длина этого штырька, т. е. чем глубже он «погружен» в электрическое поле, тем сильнее связь. Иногда для увеличения связи на конец штырька ставится пластинка (рис.5 в). Приближая ее к внутреннему проводу резонансной линии, можно связь усилить. Связь тем сильнее, чем ближе расположен штырек к пучности напряжения, т. е. началу линии, где электрическое поле наиболее сильное. В некоторых схемах применяется непосредственная связь (рис.5 г), аналогичная автотрансформаторной связи в обычных контурах.

Ее недостаток — невозможность изменения величины связи.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.