Лехерова линия

В электронике Лехеровыми линиями или Лехеровой системой называются пары параллельных проводов или стержней, с помощью которых измеряют длину радиоволн в основном на УВЧ и СВЧ диапазонах. Эти провода образуют короткую сбалансированную линию передачи. При подключении к источнику высокочастотной энергии, например, к радиопередатчику, радиоволны образуют стоячие волны по всей длине линии передачи. Передвигая токопроводящую перемычку (мостик), соединяющую накоротко оба провода системы, можно физически измерить длину волны. Австрийский физик Эрнст Лехер, усовершенствуя методы, используемые Оливером Лоджем и Генрихом Герцем, разработал примерно в 1888 году свой метод измерения длины волны. Сегодня доступны более совершенные методы измерения частоты, и Лехерова линия в настоящее время чаще всего используются в качестве элементов схемы при использовании в высокочастотном оборудовании, например, в телевизорах, Лехерова линия используется в качестве резонансных контуров, в узкополосных фильтрах и в устройствах согласования импедансов. Она используются на частотах, лежащих между КВ/УКВ диапазонами, там где используются сосредоточенные компоненты, и на диапазонах УВЧ/СВЧ, где применяются объёмные резонаторы.

Измерение длины волны

Линия Лехера является парой параллельных неизолированных проводов или стержней, находящихся на фиксированном расстояние друг от друга. Расстояние между проводниками не является критическим, но оно должно составлять небольшую часть длины волны. Это расстояние может находится в пределах от менее чем сантиметра до 10 см и более. Длина проводов зависит от действующей длины волны; линии, которые используются для измерений, имеют длину, как правило, в несколько раз большую измеряемой длины волны. Равномерное расстояние между проводами делает из них линии передачи, передающие радиоволны с постоянной скоростью, очень близкой к скорости света. Один конец линии соединён с источником ВЧ сигнала, например, с выходом радиопередатчика. Другой конец линии соединён накоротко через подвижный проводник. Эта замыкающая перемычка отражает волны. Отражённые от короткозамкнутого конца линии волны взаимодействуют с приходящими волнами, создавая синусоидальные стоячие волны напряжения и тока на линии. Напряжение падает до нуля в узлах, расположенных на расстоянии, кратном половине длины волны от конца линии. Максимумы напряжения, называемые пучностями, расположены на полпути между узлами. Поэтому длина волны λ может быть определена путём нахождения двух последовательных узлов (или пучностей) и измерения расстояния между ними, которое нужно умножить на два. Частота F может быть рассчитана, если известна длина волны и её скорость, и если известна скорость света C:

F = C / λ

Для измерений обычно используются узлы, так как они проявляются более острее, чем пучности, соответственно и точность измерений будет выше.

Поиск узлов

Для поиска узлов применяются два метода. Один из них заключается в использовании индикаторов напряжения, таких как ВЧ вольтметр или простой лампочки накаливания, прикреплённой к паре контактов, скользящих вверх и вниз по проводам. Когда лампочка достигает узла, напряжение между проводами становится равным нулю, поэтому лампа гаснет. Одним из недостатков этого метода является то, что индикатор может воздействовать на стоячую волну на линии, что приводит к её переотражению. Чтобы предотвратить это, необходимо использовать индикатор с высоким входным сопротивлением; обычная лампа накаливания слишком низкоомна. Лехер и другие исследователи использовали длинные тонкие трубки Гейслера (рис. 1.), стеклянная колба которых помещалась непосредственно на линию. В старых передатчиках высокое напряжение возбуждало тлеющей разряд в газе. В наше время часто используют небольшие неоновые лампы. Одна из проблем с использованием ламп тлеющего разряда является их высокое напряжение зажигания, затрудняющее точную локализацию минимального напряжения. В точных измерителях длины волны используют ВЧ вольтметр.

Другой метод использующийся для поиска узлов заключается в перемещении замыкающего мостика вдоль линии и измерении ВЧ тока, протекающего в линии с помощью ВЧ амперметра, включённого в фидерную линию. Ток в Лехеровой линии, как и напряжение, образует стоячие волны с узлами (точки минимального тока) через каждую половину длины волны. Так как линия представляет собой импеданс для питающего её источника ВЧ энергии, и этот импеданс меняется в зависимости от длины линии. Когда узел тока расположен в начале линии, то ток, потребляемый от источника, будет минимальным, что и покажет амперметр. Если двигать замыкающий мостик дальше по линии и отметить два места с минимальным током, то расстояние между этими двумя минимумами и будет равно половине длины волны.

Лехерова линия

Рис. 1. Линия Лехера образца 1902 года, идентичная оригинальной конструкции 1888 года Эрнста Лехера. Радиоволны, создаваемые генератором на основе разрядника Герца (на рисунке справа) двигаются вдоль параллельных проводов. Провода замкнуты между собой (на рисунке с левой стороны), отражаемые волны бегут обратно по проводам в сторону генератора, создавая стоячие волны напряжения вдоль линии. Напряжение стремится к нулю в узлами, расположенных на расстоянии, кратном половине длины волны от конца линии. Узлы были найдены путём перемещения трубки Гейслера - маленькаой трубки тлеющего разряда, типа неоновой лампы, вдоль линии (две из этих ламп них показаны на рисунке). Высокое напряжение на линии заставляет трубку светиться. Когда трубка достигает узла, то напряжение стремится к нулю, и трубка гаснет. Измеренное расстояние между двумя соседними узлами умножается на два, что даёт длину волны λ. На рисунке линия показана укороченной; на самом длина линии была 6 метров. Радиоволны, производимые геенратором, лежали были в УКВ-диапазоне и имели длину волны несколько метров. На вставке показаны типы труб Гейслера использоваться с Lecher линий.

Конструкция

Главная привлекательность линии Лехера заключается в том, что с её помощью можно измерить частоту без использования сложной электроники, и линия может быть легко собрана из простых материалов, продаваемых в обычном магазине. Лехерова линия для измерения длины волны как правило строится на каркасе, на котором жёстко крепятся горизонтально расположенные проводники, по которым передвигается замыкающий мостик или индикатор, и измерительной шкалы, по которой определяется расстояние между узлами. Каркас, как правило, изготовлен из непроводящих материалов, таких как дерево, потому что любые проводящие объекты вблизи линии можгут нарушать режим стоячей волны.

Во многих отношениях линия Лехера является электрической версией эксперимента с трубкой Кундта, которая используется для измерения длины звуковых волн.

Измерение скорости света

Если частота F радиоволны известна, то измерив длину волны λ с помощью линии Лехера можно рассчитать скорость волны C, которая примерно равна скорости света:

C = λ*F

В 1891 году французский физик Проспер-Рене Блондло применяя этот метод произвёл первые измерения скорости распространения радиоволн. Он использовал 13 различных частот между 10 и 30 МГц и получил среднее значение 297600 км/сек, полученный результат находится в пределах 1% от истинного значения скорости света. Это было важным подтверждением теории Джеймса Клерка Максвелла о том, что свет тоже является электромагнитной волной, как и радиоволны.

Применение в других областях

Короткие Лехеровы линии часто используются в качестве высокодобротных резонансных контуров, которые называют настроечными или резонансными шлейфами. Например, четвертьволновая (λ / 4) короткая линия Лехера действует как параллельный резонансный контур, имея высокое сопротивление на своей резонансной частоте и низкий импеданс на других частотах. Она используются из-за того, что на частотах дециметрового диапазона (10 см...1 м) в резонансных схемах требуются индуктивности и ёмкости малой величины, что затрудняет их изготовление и к тому же они очень чувствительны к паразитным ёмкостям и индуктивностям. Единственное различие между замкнутыми линиями передачи и обычными LC контурами заключается в том, что замкнутая линия передачи (резонансный шлейф), например Лехерова линия имеет несколько резонансов на нечётных частотах, кратных основной резонансной частоте, а сосредоточенные LC цепи имеют только одну резонансную частоту.

Питание усилителей мощности высокой частоты

Лехеровы линии могут применяться для резонансных цепей в СВЧ усилителях мощности.] Например, усилитель на двойном тетроде (QQV03-20) на частоту 432 МГц описан Г. Р. Джессопом в справочнике (G.R. Jessop, VHF UHF manual, RSGB, Potters Bar, 1983), использует линию Лехера в анодной цепи в качестве резонансного контура.

Использование линии Лехера в качестве резонансного контура

Рис. 2. Использование линии Лехера в качестве резонансного контура

Телевизионные тюнеры

Четвертьволновые линии Лехера используются в резонансных цепях в усилителях ВЧ и в гетеродинах у некоторых моделей современных телевизоров. Настройка на различные телестанции осуществляется с помощью варикапа, подключённого к обоим проводникам линии Лехера.

Волновое сопротивление линии Лехера

Расстояние между проводниками Лехеровой системы не влияет на положение стоячих волн на линии, но оно определяет волновое сопротивление, которое может быть важным для согласования линии с источником высокочастотной энергии для эффективной передачи мощности. Для двух параллельных цилиндрических проводников диаметром d и расстоянием между ними D Волновое сопротивление линии будет равно:

image

Для параллельных проводов формула для ёмкости где L - длина, С - ёмкость на метр

image

Откуда

image

image

Имеющиеся в продаже 300 и 450 Ом ленточные кабели (например, телефонная двухпроводная линия типа "лапша") может быть использованы в качестве линий Лехера с фиксированной длиной (резонансный шлейф).

BACK MAIN PAGE

Рейтинг@Mail.ru