Разработка и исследование унифицированных модулей широкополосных трансформаторов типа длинной линии

Разработка и исследование унифицированных модулей широкополосных трансформаторов типа длинной линии

Техническое задание

на разработку и исследование унифицированных модулей широкополосных трансформаторов типа длинной линии (ТДЛ) для усилителей каналов уплотнения в линиях электропередач.

Область применения

Широкополосный трансформатор типа длинной линии для усилителей каналов уплотнения в линиях электропередач.

Назначение

Разработка и исследование ТДЛ.

Анализ основных перспективных ТДЛ.

Разработка экспериментального широкополосного усилителя на основе ТДЛ.

Технические требования

Перспективный широкополосный трансформатор

коэффициент широкополосности ~10000 раз;

волновое сопротивление с - 75(50)Ом;

Экспериментальный усилитель на основе разработанного ТДЛ

напряжение питания при токе потребления 100мА - 15±1В;

коэффициент усиления КУ - 12±1дБ;

коэффициент шума - не более 3.0дБ;

входные и выходные сопротивления - в пределах 30-80Ом;

сопротивления источника сигнала

(генератора) и нагрузки - 75(50)Ом;

нелинейные искажения, оцениваемые

динамическим диапазоном по интермодуляции

третьего порядка - 90-120дБ;

Условие эксплуатации

Нормальные условия ГОСТ 22261-82

температура окружающей среды - (20±5)0С;

относительная влажность воздуха - (30-80)%;

атмосферное давление - (84-106)кПа;

Рабочие условия по ГОСТ 22261-82

температура окружающей среды - (-10 ? +45)0С;

относительная влажность воздуха - 60%;

атмосферное давление - (84-106.7)кПа;

частота питающей сети - (50±0.5)Гц;

напряжение питающей сети - (220±10%)В;

Исследуемый широкополосный трансформатор должен обеспечивать максимально широкую полосу пропускания во всем диапазоне частот.

Требования к охране труда

Отразить следующие вопросы: опасные и вредные факторы; меры по их снижению; расчет наиболее опасного фактора; пожарная безопасность.

Аннотация

В дипломном проекте исследуются и анализируются вопросы связанные с разработкой широкополосных трансформаторов типа длинной линии (ТДЛ). В результате исследования разработан ТДЛ, удовлетворяющий оптимальным требованиям, предъявляемым к современным широкополосным трансформаторам. Получены рекомендации по использованию ТДЛ в широкополосных усилителях перспективной радиоэлектронной аппаратуры, а так же намечены пути дальнейшего совершенствования трансформаторов подобного типа.

Annotation

In the degree project questions connected with development of broadband transformers such as long line (TLL) are investigated and analyzed. As a result of research it is developed TLL, satisfying the optimum requirements showed to modern broadband transformers. Recommendations for use TLL in broadband amplifiers of the perspective radio-electronic equipment and as ways of the further perfection of transformers of similar type are planned are received.

Введение

Широкополосные трансформаторы сопротивлений и устройства, выполненные на их основе (сумматоры-делители мощности, направленные ответвители и т.п.), определяют основные показатели разнообразной радиоэлектронной аппаратуры. Сфера использования таких устройств неуклонно расширяется, а требования к ним по ширине рабочего диапазона частот и (или) уровню передаваемой мощности становятся все более высокими.

Выполнение указанных требований немыслимо без знания предельно достижимых параметров устройств разных классов и умения рационально их использовать. Наилучшие показатели достигаются в высокочастотных широкополосных трансформаторных устройствах, выполненных на отрезках линий передачи, соединенных между собой различными способами. Такие устройства приходят на смену двух- и многообмоточным трансформаторам в своём традиционном низкочастотном исполнении. При этом достигается многократное расширение рабочего диапазона частот, а при сопоставлении с традиционными устройствами, образованными путем каскадного соединения четвертьволновых линий, например, ступенчатых переходов, еще и существенное уменьшение габаритов.

Переход к обмоткам, образованным линиями передачи, привел к созданию нового класса устройств, что потребовало разработки их теории, принципов построения и систематизации широкого круга разнообразных схемных решений. Этому и посвящена дипломная работа. Несколько в стороне от основного её направления стоят трансформаторы сопротивлений, выполняемые на сосредоточенных элементах и обладающие фильтрующими характеристиками. Им может быть отдано предпочтение при небольших перекрытиях по частоте и коэффициентах трансформации. С учетом этого и строилось содержание настоящей дипломной работы. При этом схемы трансформаторных устройств на линиях передачи изображались в виде, отражающем конструктивные особенности устройств, что весьма важно для воспроизведения расчетных характеристик с требуемой точностью. Подобные устройства имеют высокий КПД, надежны и способны выполнять функции гальванической развязки и симметрирования. Они являются доминирующим в ВЧ диапазоне и все шире используются в диапазонах ОВЧ и УВЧ. Естественным их недостатком является присутствие магнитопровода.

Первоначально трансформаторы строились как низкочастотные путем раздельного размещения обмоток на магнитопроводе, а для их аналитического описания использовались схемы замещения, содержащие сосредоточенные элементы. Такой общий принцип построения трансформаторов и образование их схем замещения с помощью приближенных «интегральных» параметров обмоток (собственные и междуобмоточные емкости, индуктивности рассеяния) не отражали распределенную структуру обмоток на верхних частотах. Это принципиально не позволяло установить и реализовать предельные характеристики трансформаторов в части максимально достижимой ширины рабочего диапазона частот.

В ходе дальнейших исследований был предложен и развит принцип построения трансформаторов, в качестве обмоток которых стали использовать проводники однородных двухпроводных линий, соединенных с одной их общей стороны параллельно, а с другой -- последовательно и согласованных с нагрузкой [10]. Это дало возможность улучшить характеристики устройств па верхних частотах.

В настоящее время широко распространенные схемные и схемно-конструктивные решения для трансформаторов на линиях далеко не исчерпывают своих предельных возможностей. На практике это проявляется в том, что зачастую устройства оказываются с неудовлетворительными электрическими параметрами, с завышенными массогабаритными характеристиками, а в ряде случаев неспособными решить поставленную задачу. С целью преодоления этих затруднений в данной работе сделана попытка, представить в систематизированном виде современные достижения в области широкополосных высокочастотных трансформаторов и устройств на их основе.

1. Обзор источников информации по разработке и выполнению трансформаторов типа «длинной линии»

При решении многих практических задач, когда требуемые значения невелики, могут оказаться сопоставимыми варианты осуществления трансформаторов с обмотками на магнитопроводе (а также и без него) и на основе фильтров с сосредоточенными элементами. Подчас требуется совместить трансформацию сопротивлений и частотную селекцию. В известной литературе весьма ограниченно представлены справочные данные и основные положения расчета (синтеза) для трансформаторных структур на сосредоточенных элементах. Вместе с тем достаточно хорошо разработана теория ступенчатых трансформаторов на отрезках линий передачи, подкрепленная обширным справочным материалом.

Широкополосные трансформаторы служат компонентами (парциальными составляющими), из которых в соответствии с тем или иным принципом построения выполняются сумматоры (делители) мощности. Эти устройства используются непосредственно для суммирования-деления мощности, а также в качестве направленных ответвителей (в роли которых выступают устройства неравного деления мощности), дифференциальных трансформаторов и т. п. Кроме того, такие устройства используются для развязывания многополюсных антенных систем, в фазированных антенных решетках (ФАР), в частотно-разделительных устройствах и др.

Для широкополосных многополюсных трансформаторных устройств сохраняется справедливым все сказанное выше относительно широкополосных трансформаторов в части приобретаемых ими новых свойств, необходимости разработки теории устройств, построенных по новым принципам, систематизации широкого круга разнообразных их схем, обусловливающих расширение рабочего диапазона частот и улучшение массогабаритных характеристик. Уровень достигнутых результатов в рамках использования распространенных схемных решений здесь ниже, чем для трансформаторов. Объясняется это тем, что недостатки, присущие трансформаторам как компонентам многополюсных трансформаторных устройств, усугубляются в них, а кроме того, далеко не исчерпаны возможности в части принципов построения самих многополюсных трансформаторных устройств.

Наконец, расширение круга параметров и требований к ним, в частности по развязке между входами, функциональным свойствам, способности распределять мощность между нагрузками, требует разработки принципов построения устройств разных классов, что позволило бы находить оптимальные решения в условиях конкретных задач проектирования аппаратуры. В связи с этим таким многополюсным устройствам уделено в настоящей работе наибольшее внимание. При этом показано, как на них переносятся идеи, заложенные в принципах построения трансформаторов. Это позволило разработать множество разнообразных схемных и схемно-конструктивных решений, различающихся теми или иными внешними параметрами, и представить их в систематизированном виде.

1.1 Модели ВЧ широкополосных трансформаторов

Устройства, выполняющие широкополосную трансформацию сопротивления, принципиально различаются для диапазонов низких и высоких (радиотехнических) частот. В низкочастотных трансформаторах правомерно не принимать во внимание непосредственную электромагнитную связь между обмотками, размещенными на магнитопроводе (М). Для них характерно, что энергия передается посредством магнитопровода и характеристики трансформатора мало зависят от изменения сопротивления нагрузки (при сохранении коэффициента трансформации). Кроме того, эти характеристики малочувствительны к изменению включения зажимов трансформатора относительно общей шины, т.е. к изменению функционального назначения трансформатора. По этому критерию трансформаторы можно разделить на несколько типов согласно табл.1.1.1.

Введем для них коэффициент К, равный отношению суммарного напряжения на обмотках трансформатора к напряжению U на его входе (со стороны наименьшего напряжения). Для всех рассматриваемых трансформаторов примем нормированную величину U=1. Минимальное значение этого параметра Кмин, обусловленное функциональным назначением трансформатора, приведено в табл.1.1.1. В дальнейшем величина К понадобится для оценки эффективности использования проводников, в конечном счете широкополосности, реальных ВЧ трансформаторов.

В широкополосных трансформаторах (ШТ), работающих на высоких частотах, нельзя не учитывать непосредственную электромагнитную связь между обмотками. Это принципиальное отличие требует иного подхода к разработке схемных решений для ШТ. Для реализации максимально достижимой ширины рабочего диапазона частот необходимы рассмотрение ШТ как электрических цепей с распределенными параметрами и отыскание предельных характеристик таких цепей при трансформации сопротивлений. В таких ШТ наименьший вносимый коэффициент отражения в задаваемой рабочей полосе частот будет при определенной (номинальной) нагрузке. Это обусловлено тем, что схема замещения ШТ включает в себя реактивные элементы, образующие фильтр с равномерной характеристикой передачи только для определенной нагрузки. Подход к конструированию ШТ с позиции “интегральных” сосредоточенных элементов в схеме замещения (индуктивностей рассеяния, собственных и взаимных емкостей обмоток) не позволял реализовывать максимально достижимую рабочую полосу частот.

В попытке снять это ограничение были предложены трансформаторы, обмотки которых выполнялись двухпроводными линиями передачи [10]. В таких устройствах доминирующей в передачи энергии является непосредственная электромагнитная связь между обмотками. Схема замещения таких широкополосных трансформаторов на линиях (ШТЛ), содержащая линии передачи, достаточно точно отражает характеристики реальных конструкций ШТЛ в широкой полосе частот. В результате были созданы трансформаторы, обладающие существенно расширенном диапазоне частот. Вместе с тем первоначальный подход к разработке схемных решений для ШТЛ в рамках согласованных двухпроводных линий приводит к значительному превышению параметра К в сравнении с его минимальным значением Кмин в табл.1.1.1.

Табл.1.1.1

Для пояснения этого фактора обратимся к рассмотрению наиболее простых ТШЛ с коэффициентом трансформации 1:n. При n=2 схема трансформатора (рис.1.1а) содержит две одинаковые двухпроводные линии (первая-проводники 1-1' и 2-2', вторая-проводники 3-3' и 4-4'), каждая с волновым сопротивлением W и электрической длиной x (х=2рlл/л, где lл-длина линии; л-длина волны в ней).

Страницы: 1, 2, 3