Сверхширокополосные трансформаторы

Празитные параметры трансформаторов обычной конструкции (индуктивность рассеяния, межвитковая ёмкость) не позволяют получать значения верхней граничной частоты выше единиц мегагерц. Поэтому в линиях передачи при полосах пропускания несколько десятков или сотен мегагерц необходимо переходить на другие варианты конструкций исполнения трансформаторов. Одним из таких вариантов является трансформатор типа “длинной линии” ТДЛ. Он выполняется на тороидальном магнитопроводе из высокочастотного феррита. На этот магнитопровод намотаны одна или несколько линий передачи, каждая из которых выполнена в виде двух туго свитых проводов.

Выполнение обмотки в виде двухпроводной линии делает ТДЛ промежуточным элементом между системами с сосредоточенными и распределёнными параметрами.

Моделью цепи передачи для противофазных токов, создаваемых источником Е_и в проводах 1,2 и 1`,2`.

Чтобы обеспечить равномерную передачу энергии от источника Е_и к нагрузке в широкой полосе частот, необходимо согласовать источник с линией передачи и линию передачи с нагрузкой. Эти условия выражаются равенствами: R_н=ρ; ρ=R_н, где ρ- характеристическое (волновое) сопротивление свитой двухпроводной линии.

Для инфазности входных токов провода 1,2 и 1`,2` оказываются эквипотенциальными, т.е. включёнными как бы параллельно, моделью цепи передачи будет несимметричная однопроводная линия, навитая на магнитопровод, выполненный из материала с большой относительной магнитной проницательностью. Навивка на сердечник значительно Увеличивает эквивалентную длину несимметричной линии. При этом образуются две индуктивности L, включённые между входом и выходом линии. Это позволяет соединить любой из проводов линии на её выходе с корпусом. Если на входе линии с корпусом соединён провод 2, то, соединив с корпусом выход 2`, получим обычную линию передачи, в которой полярность входного и выходного сигналов одинакова.

Можно и последовательно соединить вход и выход одной и той же линии. Именно при таком соединении линия и становится трансформатором.

Согласование на входе такой цепи достигается при R_и=2ρ, а на выходе- R_н=ρ/2. Благодаря такому включению ТДЛ достигается трансформация напряжения U_н=U₁/2 и обеспечивается согласование источника с выходным сопротивлением R_н и нагрузки с сопротивлением R_н=R_н/4 в широкой полосе частот вплоть до нескольких мегагерц.

Нижняя граничная частота зависит от активного сопротивления источника и индуктивного сопротивления обмотки на низкой частоте. В схеме рис.2 при соединении точек 1и2 с корпусом ослабленная выходная мощность в два раза по сравнению с номинальной получается на частоте f_н=R_и/(4πL).

Для получения в ТДЛ коэффициента трансформации, меньшего ½ на магнитопроводе размещают несколько свитых обмоток, каждая из которых образует самостоятельную ТДЛ. Соединив все обмотки (входы линий) на входе последовательно, а на выходe параллельно, получим коэффициент трансформации напряжения n=U_н/U₂=1/N, где N- число линий. В данном случае для согласования необходимо выполнение условий: R_и=Nρ; R_н=ρ/N.

Трансформатор типа ТДЛ используется и для сложения в одной нагрузке мощностей нескольких генераторов радиочастот. Для этого применяют как трансформаторные схемы, так и схемы мостового типа. Последние имеют развязку между входами, что позволяет каждому трансформатору работать независимо.

Положив коэффициент трансформации W₂/W₁=1, получим уравнения для определения токов источников I₁ и I₂:

E₁=I₁Rи+U_б+U_н;

(1)

E₂=I₂R_и-U_б+U_н;

Поскольку нас интересуют не сами токи, а их сумма, позволяющая найти напряжение на нагрузке U_н=(I₁+I₂)R_н, и их разность , позволяющая вычислить U_б=(I₁-I₂)R_б, то, сложив выражения (1), получим:

I₁+I₂=(E₁+E₂)/(R_и+2R_н), а вычтя второе уравнение из первого, определим:

I₁-I₂=(E₁-E₂)/(R_и+2R_б).

Отсюда на нагрузке U_н=(E₁+E₂)R_н/(R_и+2R_н), а на балластном резисторе U_б=(E₁-E₂)R_б/(R_и+R_б).

На нагрузке выделяется мощность, пропорциональная сумме ЭДС двух источников, а на балластном резисторе мощность, пропорциональная их разности. При одинаковых источниках Е₁ и Е₂ вся их мощность идёт в нагрузку, На резисторе мощность выделяется только при неидентичных источниках Е₁и Е₂.