Полные нормированные на­пряжения и токи.

Линии передач в радиосистемах и устройствах. Основные типы линии передач. Краткие характеристики. Проволочные, коаксиальные и микрополосковые линии передач. Волноводные и волоконно-оптические линии передач.

Линией передачи называют устройство, ограничивающее область распространения электромагнитной энергии и направляющее поток электромагнитной энергии к нагрузке. Линии передачи ис­пользуют для передачи мощности от генераторов к потребителям, для трансформации (преобразования) полных сопротивлений нагрузок, для объединения отдельных устройств СВЧ в единый тракт.

Линия передачи называется регулярной, если в продольном на­правлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свой­ства заполняющих ее сред. Линия передачи называется однород­ной, если поперечное сечение заполнено однородной средой. Также можно выделить открытые и закрытые ЛП. Открытые – телефонная пара, линии на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и т.п. Закрытые – волноводы, коаксиальные кабели, волоконно-оптические ЛП.

Характеристики ЛП.Как правило, ЛП используют в режиме волны основного типа, имеющей наименьшую критическую частоту . Существуют следующие типы волн:

1. волна поперечная, или Т-типа – существует в ЛП, имеющих не менее 2-х проводников;

2. электрические волны, или Е-типа – отсутствует продольная составляющая магнитного поля (только в волноводах);

3. волны магнитные, или Н-типа – отсутствует продольная составляющая электрического поля;

4. волны типа НЕ и ЕН (линии передачи с неоднородным заполнением) – возникают в различных переходах (непосредственно на переходах): коаксиально-волноводный переход (КВП), волноводно-волноводный переход (ВВП).

Дисперсионная характеристика. Дисперсией называется зависимость скорости распространения э/м волны в ЛП от частоты.

1. Линии с Т-волнами не имеют дисперсии. Фазовая скорость определяется через соотношение: .

2. Е- и Н-волны: ; λ₀ – длина волны в вакууме, λ_кр – критическая длина волны. Для волны Н₁₀ .

Длина волны в волноводе , .

3. Для гибридных волн фазовая скорость довольно сложная и для ее нахождения используется ПЭВМ.

Коэффициент затухания. Вдоль ЛП мощность изменяется по закону , Р₀ - мощность от генератора, – коэффициент затухания. Затухание обуславливается неизбежным расходом энергии на нагрев проводников и диэлектриков. Обычно затухание измеряется в [Нп/м] – Непер на метр, и определяется как: , - мощность на выходе ЛП длиной 1 метр. Иногда затухание выражается в Дб/м: .

Максимальная пропускаемая мощность – за нее принимают 25-30% от критической мощности, вызывающей пробой в режиме чисто бегущей волны (КСВ=1, |ρ|=0).

Основные типы линий передач:

1) проволочные: 2-хпроводные, многопроводные. Используются на диапазонах длин волн: 10м, 1м, 0,1м.

2) радиочастотные кабели: коаксиальные, симметричные – 10м, 1м, 0,1м.

3) волноводы: прямоугольные, круглые, специального сечения: дм, см, мм.

4) открытого типа: полосковые, микрополосковые, поверхностных волн (м, дм, см), диэлектрические, лучевые волноводы, заполненные внутри воздухом, волоконно-оптические (ВОЛП) (мм, субмм).

Проволочные линии передачи.Это открытая линия передачи из двух одинаковых параллельных проводников с Т-волной применяется на гектометровых и метровых волнах для подклю­чения антенн к приемным и передающим устройствам. На более коротких волнах применению двухпроводных линий препятствует заметное излучение, создающее помехи и увеличивающее затуха­ние. Волновое сопротивление воздушной двухпроводной линии (Ом) зависит от диаметра ее проводников d и расстояния между провод­никами D.

Для рис. а): . При конструктивно удобных соотношениях .

Четырехпроводные линии передачи, образованные из попарно соединенных проводников, имеют такое же применение, как и двухпроводные линии, но отличаются меньшим паразитным излучением, более низким волновым сопротивлением и лучшей электрической прочностью. Возможны два способа образования синфазных пар проводников 4-проводной линии передачи: параллельно-вертикальный и “крест-накрест”.

Преимущества 4-хпроводных перед 2-хпроводными:

· Меньшее паразитное излучение;

· Более низкое волновое сопротивление;

· Лучшая электрическая прочность.

Для включения синфазно по вертикали: .

Для синфазно накрест: .

Коэффициент затухания 2-х линий имеет низкое значение.

Коаксиальные линии передачи.Волновое сопротивление для Т-волны в коаксиальной линии передачи (Ом) определяется по формуле . Коэффициент затухания: , - затухание в металле, - затухание в диэлектрике. Затухание сильно зависит от частоты и равно 0,1..3 дБ.

; , R_S – удельное сопротивление квадрата поверхности [Ом/см²], d и D – в [см]. Коаксиалы обладают малым tgδ. (50 и 75 Ом)

Полосковые и микрополосковые линии передачи широко приме­няются на дециметровых и сантиметровых волнах. Различают симметричные и несимметричные по-лосковые линии передачи. Симметричные линии имеют в попереч­ном сечении две перпендикулярные плоскости симметрии, несимметричные линии – одну.

Существует три разновидности полосковых линий: жесткие воз­душные полосковые линии; линии на основе фольгированных ди­электрических пластин (армированные стеклом фторопласты, полимеры и др.); линии на основе диэлектрических пластин из ке­рамики или кристаллических материалов с высоким значением ди­электрической проницаемости (поликор, ситалл, кварц, сапфир, кремний, арсенид галлия и др.).

В жестких воздушных линиях крепление центрального проводника осуществляется за счет коротких диэлектрических вставок или с помощью металлических штырей, длина которых .

Фольгированные диэлектрические пластины(армированные стеклом фторопласты, полимеры и т.п.):

Линии передач на основе керамики: (диэлектрики: поликор, сетал, сапфир, кварц,…):

При использовании диэлектриков, в которых уменьшается в раз, достигается уменьшение общих габаритов устройства в раз. В связи с этим третья группа получила название микрополосковой линии передач. Недостаток ее: наличие потерь, характеризуемых тангенсом угла диэлектрических потерь.

Значения и можно уточнить в справочниках по радиомаетриалам. Волновое сопротивление таких ЛП составляет от 20 до 100 Ом и легко регулируется подбором ширины центр-ного проводника. Затухание фактически не учитывается из-за малых длин использ. отрезков.

Прямоугольные и круглые волноводы.Представляют собой металлические трубы соответствующего сечения. Используются в мм, см и дм диапазонах.

Основной тип волны – H₁₀: .

Размеры сечений волноводов стандартизированы. Их можно посмотреть в справочниках. Основное сечение: 23*10 мм.

С уменьшением размеров прямоугольного волновода, увеличивается, а Р_доп уменьшается.

Основной тип волны в круглом волноводе – H₁₁: .

Круглые волноводы в основном используются в различных вспомогательных переходах. Например, для соединения 2-х прямоугольных волноводных линий через широкую стенку в качестве вращающегося перехода.

Волоконно-оптические линии передачи.

В субмиллиметровом и оптическом диапазоне волн традиционные линии передач становятся непригодными из-за увеличения потерь и трудностей изготовления. Наибольшее распространение здесь получили ВОЛП и ВОЛС– многомодовые диэлектрические волноводы в форме нити диаметром 150 мкм из особо чистого кварца, обладающего ничтожными потерями. Действие основано на полном внутреннем отражении.

Выделяют 2 группы световодов:

1. со ступенчатым изменением коэффициента преломления;

2. с плавным изменением коэффициента преломления.

Оптические волокна покрываются сверху лаком. Такие волокна укладываются в общий кабель – жгут, внутри него стальной трос, вокруг которого световоды, сверху изоляция. Поверх нее – бронированный экран. Поверх него еще изоляция. У них

В качестве возбудителей используются полупроводниковые лазеры или светодиоды, в качестве приемников – p-i-n-диоды или светоприемные лавинно-пролетные диоды, обеспечивающие усиление сигнала.

Волоконно-оптические линии передач обеспечивают широкие полосы рабочих частот, полную развязку между каналами, идеальную помехозащищенность.

Математическая модель линии передачи. Понятие падающей и отраженной волн. Коэффициент отражения. Нормированные токи, напряжения, сопротивления и проводимости. Влияние режима линии передачи на КПД.

На регулярном участке любой линии передачи э/м поле распространяющейся волны выбранного типа представля­ет собой суперпозицию (наложение) падающей и отраженной волн.

Падающей волной называют бегущую волну, создаваемую генератором и движущуюся к нагрузке. При использовании гармонических сигналов ( ) любой компонент э/м поля падающей волны зависит от продольной координаты z по закону , где - комплексный коэффициент распространения, - коэффициент затухания, - коэффициент фазы.

Отраженной называют бегущую волну, порождаемую нагрузкой или нерегулярностью и движущуюся в направлении, обратном на­правлению падающей волны.

Любой компонент э/м поля отраженной волны зависит от продольной координаты z по закону .

В связи с тем, что в СВЧ диапазоне мощность, коэффициент передачи и коэффициент отражения легче определяется экспериментальным путем, в то время как измерение компонентов э/м поля и функции их распределения сопряжено со значительными трудностями, используется универсальная математическая модель в виде эквивалентной длинной линии.

Здесь используются нормированные напряжения падающей и отраженной волн:

Многополюсники, описанные в терминах падающей и отраженной волн, получили название волнового подхода. При ВП мощности падающей и отраженной волн могут быть измерены непосредственно измерителем мощности.

Коэффициент отражения – отношение поперечных компонентов электрического поля для падающей и отраженной волн в одной и той же точке поперечного сечения линии передачи:

r_Е = Е _{t о} / E _{t п}, ,

где - коэффициент отражения в начале координат.

На практике , где , где - показания милливольтметра детекторной секции измерительной линии.

Полные нормированные на­пряжения и токи.

При одновременном существо­вании падающей и отраженной волн в линии передач проходящая через какое-либо сечение активная мощность определяется разностью мощностей, переносимых падающей и отраженной вол­нами:

.

С другой стороны, проходящую активную мощность можно представить в несколь­ко ином виде:

.

Это позво­ляет для распространяющейся волны любого типа в линии переда­чи формально ввести следующие характеристики:

1) полное нормированное напряжение: ;

2) полный нормированный ток: .

Получаем, что нормированное напряжение в линии передачи оказывается пропорциональным напряженности полного электрического поля в линии передачи для суперпозиции падающей и отраженной волн. Т.о.: .