ТРАНСФОРМАТОР СОПРОТИВЛЕНИЙ
RESISTANCE TRANSFORMER

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для согласования активных сопротивлений без искажения формы сигнала в радиотехнических устройствах, телевидении, системах связи и радиоканалах передачи телекоммуникационных данных.
Известен трансформатор сопротивлений на основе фильтра нижних частот (см. Matthaei G.L. Tables of Chebyshev Impedance-Transforming Networks of Low-Pass Filter Form. - Proceedings of the IEEE, August 1964, pp. 939-963), состоящий из каскадного соединения Г-образных звеньев, содержащих индуктивность и емкость. Такой трансформатор может быть выполнен на элементах с сосредоточенными параметрами в форме лестничной цепи на низких частотах или на элементах с сосредоточенно-распределенными параметрами на частотах СВЧ-диапазона.
Расчет трансформаторов в виде фильтра нижних частот производится с помощью специальных таблиц на основе таких параметров, как:
коэффициент трансформации сопротивлений
,
H
Г
где R - сопротивление нагрузки, R - сопротивление генератора;
относительная ширина полосы пропускания
,
a
b
где ƒ - нижняя граница полосы пропускания, ƒ - верхняя граница полосы пропускания;
Ar
выраженный в децибелах размах пульсаций затухания в полосе пропускания L.
Ar
После определения величины коэффициента трансформации r, относительной ширины полосы пропускания w и максимально допустимого для заданных условий значения L из таблиц находится число реактивных элементов цепи, обеспечивающих выполнение заданных требований. Затем, также из таблиц, определяются нормированные величины параметров элементов цепи, из которых путем пересчета получают значения элементов схемы, соответствующей конкретному случаю применения.
Недостатком трансформатора на основе фильтра нижних частот с сосредоточенными параметрами является нелинейность фазочастотной характеристики, и, следовательно, неравномерность функции групповой задержки (ГЗ), которая является причиной искажения формы сигнала.
Относительная неравномерность функции групповой задержки определяется из выражения
,
min
max
где GD и GD - минимальное и максимальное время групповой задержки в полосе пропускания.
Кроме того, так как трансформатор на основе фильтра нижних частот является минимально-фазовой цепью, в нем отсутствует возможность варьировать относительной неравномерностью функции ГЗ без увеличения максимального уровня КСВ в заданной полосе частот.
Также известен трансформатор сопротивлений, состоящий из каскадного соединения секций четвертьволновых линий передачи (см. Маттей Г.Л., Янг Л., Е. М. Т. Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. - М.: Связь 1971, 217 с., рис. 6.02.1). Трансформатор сопротивлений, состоящий из трех каскадно соединенных секций четвертьволновых отрезков линий передачи, является прототипом предлагаемого изобретения. Такой трансформатор при широком диапазоне значений коэффициента трансформации сопротивлений обеспечивает относительную ширину полосы пропускания, достаточную для решения большинства задач согласования. Так, для коэффициента трансформации сопротивлений r=10 относительная ширина полосы пропускания w=78% по уровню КСВ=1,2. При меньших значениях коэффициента трансформации относительная ширина полосы пропускания будет еще больше.
Расчет волновых сопротивлений секций линии передачи трансформатора-прототипа производится с помощью таблиц на основе таких параметров, как коэффициент трансформации сопротивлений (r) и относительная ширина полосы пропускания (w).
Из таблицы определяют значение волнового сопротивления первой секции. Волновые сопротивления второй и третьей секции определяются из соотношений:
i
где r - коэффициент трансформации сопротивлений, Z - волновое сопротивление i-й секции.
Недостатком прототипа является неравномерность функции ГЗ, отсутствие возможности варьировать относительной неравномерностью функции ГЗ без увеличения максимального уровня КСВ в заданной полосе частот.
Так, при коэффициенте трансформации сопротивлений r=10 относительная ширина полосы пропускания по уровню КСВ=1,2 равна 78%, в которой относительная неравномерность функции ГЗ равна 9,4%. При этом наибольшая неравномерность функции ГЗ возникает на краях полосы пропускания.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение относительной неравномерности функции ГЗ в заданной полосе пропускания при заданном коэффициенте трансформации сопротивлений и максимальном уровне КСВ, а также расширение полосы пропускания при менее жестких требованиях (или при отсутствии требований) к относительной неравномерности функции ГЗ при заданном максимальном уровне КСВ.
Поставленная задача достигается тем, что в трансформатор сопротивлений, который содержит три каскадно соединенных секции четвертьволновых отрезков линии передачи, параллельно трем секциям четвертьволновых отрезков линии передачи включен один четвертьволновый отрезок, а параллельно входу включен один короткозамкнутый четвертьволновый отрезок линии передачи.
На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема предлагаемого трансформатора сопротивлений. На фиг. 2 приведен график КСВ предлагаемого трансформатора (сплошная кривая) и график КСВ прототипа (пунктирная кривая). На фиг. 3 приведен график функции ГЗ предлагаемого устройства (сплошная кривая) и график функции ГЗ прототипа (пунктирная кривая).
Предлагаемый трансформатор сопротивлений (фиг. 1) содержит три каскадно соединенные секции отрезков линии передачи 4, 5 и 6. Параллельно этим секциям подключен отрезок линии передачи 3. Параллельно входу подключен короткозамкнутый отрезок линии передачи 2. Электрические длины всех отрезков линий передачи на центральной частоте равны
.
Предлагаемый трансформатор сопротивлений работает следующим образом. Как видно из рассмотрения структуры, показанной на фиг.1, предлагаемый трансформатор представляет собой трансформатор-прототип 1 на четвертьволновых отрезках 4, 5, 6. Для придания прототипу неминимально-фазовых свойств параллельно трем секциям четвертьволновых отрезков линии передачи 4, 5 и 6 включен один четвертьволновый отрезок 3, который позволяет уменьшить относительную неравномерность функции ГЗ без значительного уменьшения относительной ширины полосы пропускания и увеличения максимального уровня КСВ в полосе пропускания. Включение короткозамкнутого четвертьволнового отрезка линии передачи 2 параллельно входу позволяет расширить полосу пропускания и уменьшить неравномерность функции ГЗ на границах полосы пропускания.
a
b
c
d
s
Г
В таблице 1 для предлагаемого трансформатора сопротивлений, имеющего в рабочей полосе частот максимальный уровень КСВ≤1,2, для трех значений коэффициента трансформации сопротивлений и для различных заданных относительных ширин полосы пропускания (w) приведены значения относительной неравномерности функции ГЗ (AGD) в полосе пропускания, значения волновых сопротивлений отрезков линий передачи (ρ, ρ, ρ, ρ, ρ), полученные с помощью оптимизации и компьютерного моделирования в программе AWR Microwave Office. Значения волновых сопротивлений нормированы относительно R=1 Ом.
a
b
c
d
s
Г
В таблице 2 для предлагаемого трансформатора сопротивлений, имеющего в рабочей полосе частот максимальный уровень КСВ≤1,2, для трех значений коэффициента трансформации сопротивлений приведены значения максимальной относительной ширины полосы пропускания при отсутствии требований к неравномерности функции ГЗ, значения волновых сопротивлений отрезков линии передачи (ρ, ρ, ρ, ρ, ρ), полученные с помощью оптимизации и компьютерного моделирования в программе AWR Microwave Office. Значения волновых сопротивлений нормированы относительно R=1 Ом.
Г
В таблице 3 для прототипа, имеющего в полосе рабочих частот уровень КСВ≤1,2, для трех значений коэффициента трансформации сопротивлений и для различных заданных относительных ширин полосы пропускания приведены значения относительной неравномерности функции ГЗ (∆GD), нормированные относительно R=1 Ом значения волновых сопротивлений секций четвертьволновых отрезков линии передачи, рассчитанные с помощью таблиц и выражений (1) и (2). В таблице 3 при коэффициенте трансформации r=10 относительная ширина полосы пропускания прототипа w=80% взята по уровню КСВ=1,21.
В таблице 3 знаком «-» обозначены случаи, когда прототип не обеспечивает заданную относительную ширину полосы пропускания по уровню КСВ=1,2.
Из сравнения таблиц 1 и 3 видно, что предлагаемый трансформатор при жестких требованиях к неравномерности функции ГЗ имеет меньшую относительную неравномерность ГЗ в полосе пропускания и способен обеспечить большую относительную ширину полосы пропускания при большом значении коэффициента трансформации сопротивлений.
Из сравнения таблиц 2 и 3 видно, что при отсутствии требований к неравномерности функции ГЗ предлагаемый трансформатор способен обеспечить большую относительную ширину полосы пропускания, чем прототип.
Г
а
b
c
d
s
Г
1
2
3
На фиг. 2 и 3 представлены результаты компьютерного моделирования КСВ и ГЗ предлагаемого трансформатора (сплошная кривая) и прототипа (пунктирная кривая). Результаты получены для следующих исходных данных: r=10, w=80%. Для этого примера значения нормированных относительно R=1 Ом волновых сопротивлений четвертьволновых отрезков предлагаемого трансформатора, показанного на фиг. 1: ρ=37,1, ρ=1,63, ρ=4,48, ρ=7,41, ρ=3,04. Значения волновых сопротивлений секций четвертьволновых отрезков трансформатора-прототипа, нормированных относительно R=1 Ом: Z=1,504, Z=3,1623, Z=6,6491.
При заданной относительной ширине полосы пропускания 80% у прототипа в полосе пропускания максимальный уровень КСВ=1,21, у предлагаемого трансформатора максимальный уровень КСВ=1,2. За счет включения дополнительных четвертьволновых отрезков линии передачи неравномерность функции ГЗ в полосе пропускания у предлагаемого трансформатора более чем в три раза меньше по сравнению с прототипом: 2,3% у предлагаемого трансформатора против 9,4% у прототипа.
Сравнительный анализ данных, приведенных в таблицах, показал, что включение одного четвертьволнового отрезка линии передачи параллельно трем каскадно соединенным секциям четвертьволновых отрезков линии передачи и одного короткозамкнутого четвертьволнового отрезка линии передачи параллельно входу позволяет уменьшить относительную неравномерность функции ГЗ в заданной полосе пропускания при заданном коэффициенте трансформации сопротивлений и максимальном уровне КСВ, а также позволяет расширить полосу пропускания при менее жестких требованиях (или при отсутствии требований) к относительной неравномерности функции ГЗ при заданном максимальном уровне КСВ.
Техническим результатом является уменьшение относительной неравномерности функции ГЗ в заданной полосе пропускания при заданном максимальном уровне КСВ=1,2, расширение полосы пропускания при менее жестких требованиях к относительной неравномерности функции ГЗ (или отсутствие таких требований) при заданном максимальном уровне КСВ=1,2, способность варьировать относительной неравномерностью функции ГЗ без увеличения максимального уровня КСВ в заданной полосе частот.