Рабочее затухание четырехполюсника

Ц е л ь р а б о т ы - исследовать зависимость потерь электрической энергии в четырехполюснике от сопротивления нагрузки.

 

Краткие сведения из теории

Если на выходе ЧП подключена согласованная нагрузка, то условия передачи сигналов определяются его собственными параметрами: характеристическими сопротивлениями, характеристической постоянной передачи (см. лабораторную работу 3). Эти параметры, хотя и полностью характеризуют данный ЧП как некоторую систему для передачи мощности, в общем, не являются достаточно удобными измерителями в эксплуатационных условиях. Это объясняется тем, что условия передачи мощности через ЧП не определяются только собственными его параметрами, но в значительной степени зависят также от тех условий, в которых этот ЧП используется, т. е. от параметров генератора и нагрузки.

Эффект передачи сигнала через один и тот же ЧП может существенно изменяться, если изменяются характеристики передатчика и приемника, подключаемых к четырехполюснику.

В реальных условиях не удается добиться согласованных включений, так как характеристическое сопротивление ЧП часто имеет сложную частотную зависимость (например, у фильтров, линий связи и др.).

В случае несогласованности в точках соединения возникают отражения, влияние которых учитывается введением понятия о рабочем затухании. Например, если сопротивление приемника Z_н не равно характеристическому сопротивлению ЧП Z_с2, то не вся мощность, подошедшая к приемному концу, поступает в нагрузку. Отраженная от нагрузки мощность возвращается к генератору, частично теряясь в элементах ЧП. Для отраженной волны нагрузкой является сопротивление генератора, подключенного к передающему концу. Если сопротивление генератора не равно характеристическому сопротивлению Z_с1, то происходит частичное отражение энергии, причем новая отраженная волна будет распространяться от генератора к приемнику. Многократное отражение энергии при несогласованных нагрузках на обоих концах ЧП приводит к дополнительному рассеиванию энергии, ухудшению качества передачи и появлению амплитудно-частотных и фазочастотных искажений сигнала.

Для улучшения условий передачи сигналов (уменьшения искажений и потерь электрической энергии) необходимо обеспечить полную согласованность сопротивления приемника с характеристическим сопротивлением ЧП, т. е. равенство их как по модулю, так и по углу.

Рабочее затухание ЧП позволяет оценить тракт передачи в рабочих условиях. Оно включает в себя потери мощности как в самом ЧП, так и по концам его, возникающие вследствие несогласованности сопротивлений приемных и передающих устройств с характеристическими сопротивлениями ЧП. Рабочее затухание представляет собой логарифмическую меру отношения двух мощностей, дБ:

, (4.1)

 

где - максимальная активная мощность, которую получает приемник от генератора при непосредственном его подключении к приемнику и при равенстве сопротивлений генератора и приемника;

- активная мощность, которую получает от того же генератора приемник с произвольным сопротивлением, включенным на выходе ЧП (рис. 4.1).

 

 

а б

Рис. 4.1. Схема определения рабочего затухания

	.

Если обозначить (как на рис. 4.1, а) Е – ЭДС генератора, Z_г – его внутреннее сопротивление, то

. (4.2)

Мощность, поглощаемая приемником Z_н, включенном на выходе ЧП (рис. 4.1, б),

 

. (4.3)

 

Подставляя значения мощностей в формулу (4.1), после некоторых преобразований можно получить выражение для расчета рабочего затухания ЧП через его характеристические параметры и нагрузочные сопротивления, дБ:

 

(4.4)

или

, (4.5)

 

где Z_г – сопротивление генератора, Ом;

Z_с1, Z_с2 – комплексные характеристические сопротивления ЧП, Ом;

Z_н – сопротивление нагрузки, Ом;

а_с – собственное затухание ЧП, дБ;

j_с – характеристическая фазовая постоянная передачи, град;

- коэффициент отражения на передающем конце цепи;

- коэффициент отражения на приемном конце цепи;

а_о.г – затухание, обусловленное несогласованностью сопротивления генератора с характеристическим сопротивлением ЧП, дБ;

а_о.н - затухание, обусловленное несогласованностью характеристического сопротивления ЧП с сопротивлением нагрузки, дБ;

а_вз - затухание, обусловленное взаимодействием отраженных волн, дБ.

Затухание и зависит от соотношений Z_г/Z_с1, Z_н/Z_с2 и собственного затухания ЧП.

При и числовое значение

. В этих случаях затухание а_вз на рабочее затухание а_р влияет незначительно и им можно пренебречь, рассчитывая в формуле (4.4) всего три члена.

В остальных случаях, когда необходимо учитывать все составляющие рабочего затухания.

На основании формулы (4.4) и понятия абсолютного уровня можно получить также выражение, позволяющее определять значение рабочего затухания при экспериментальных исследованиях:

 

(4.6)

или

, (4.7)

 

где Р_Е/2 - абсолютный уровень половины ЭДС генератора;

Р_U – абсолютный уровень напряжения на нагрузке, включенной на выходе четырехполюсника.

 

Порядок выполнения работы

 

4.2.1. Изучить рабочие параметры ЧП [1, 2].

4.2.2. Рассчитать рабочее затухание ЧП, используя характеристические параметры, полученные при выполнении лабораторной работы 3. Сопротивление генератора принять равным 600 Ом, сопротивление нагрузки Z_н = КZ_с, где К - коэффициент. Вариант значений коэффициента К указывается преподавателем:

1) 0,01; 0,21; 0,75; 1; 1,4; 10; 100;

2) 0,015; 0,12; 0,62; 1; 1,5; 30; 150;

3) 0,018; 0,25; 0,51; 1; 2; 50; 120;

4) 0,012; 0,15; 0,68; 1; 1,7; 20; 130.

4.2.3. Измерить рабочее затухание исследуемого ЧП, используя метод уровней.

42.4. Обработать результаты измерений и сопоставить их с теоретическими данными, построив кривые на одном графике (на миллиметровой бумаге).

4.2.5. Ответить на контрольные вопросы.