Основные параметры линий передачи

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. Различают открытые линии передачи и волноводы. В открытых линиях передачи (многопроводные и полосковые линии, линии с поверхностной волной и др.) поперечное сечение не имеет замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Напротив, в волноводах обязательно имеется одна или несколько проводящих поверхностей, полностью охватывающих область распространения электромагнитных колебаний.

При выборе того или иного типа линии передачи для построения конкретного тракта СВЧ решающее значение имеют следующие электрические характеристики и параметры[1,2,3,4].

Тип волны, структура электромагнитного поля и критическая частота. Эти характеристики определяются исходя из указанных размеров поперечного сечения путем решения граничных электродинамики. Как правило, линии передачи используются режиме волны основного типа (основной волны), имеющей меньшую критическую частоту . Однако в некоторых применениях преимущество отдается волнам высших типов с критической частотой, превышающей частоту основной волны.

Различают следующие типы волн:

а) поперечные электромагнитные волны - Т-волны, не содержащие продольных составляющих электромагнитного поля. Они существуют только в линиях передачи, имеющих не менее двух изолированных проводников, причем критическая частота для Т-волн равна нулю;

б) электрические волны - Е-волны, не имеющие продольной со­ставляющей магнитного поля;

в) магнитные волны - Н-волны, не имеющие продольной составляющей электрического поля;

г) гибридные волны типа НЕ или ЕН.

Как Н -, так и Е - волны характерны для волноводов с однородным диэлектрическим заполнением. Критические частоты Н- и Е-волн отличны от нуля и зависят от формы и размеров поперечного сечения, а также от параметров заполняющего диэлектрика. Для волноводов с правильной формой поперечного сечения (прямоугольник, круг и др.) существуют точные формулы расчета критической частоты или критической длины волны.

Для гибридных волн характерно наличие продольных составляющих как магнитного, так и электрического полей. Гибридные волны, как правило, существуют в линиях передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением. Критические частоты гибридных волн сложным образом зависят от формы и размеров поперечного сечения, от параметров заполняющих диэлектрических сред. Соответствующие алгоритмы расчета оказываются громоздкими, и поэтому характеристики гибридных волн критические частоты могут асимптотически стремиться к нулю.

Дисперсионная характеристика. Дисперсией называется зависимость фазовой скорости волны в линии передачи от частоты, а дисперсионная характеристика представляет собой конкретный вид этой зависимости, задаваемый формулой или графиком.

Линии передачи с Т-волнами не имеют дисперсии, и фазовая скорость в них на любой частоте равна скорости распространения плоской электромагнитной волны в среде, заполняющей линию передачи: , где С – скорость света в вакууме; и - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости диэлектрика, заполняющего линию передачи.

Фазовые скорости Н- и Е-волн в полых волноводах зависят от частоты и превышают скорость света для среды, заполняющей волновод. Дисперсионная зависимость в любом однородном волноводе определяется формулой

,

где - критическая длина волны с учетом диэлектрического заполнения; -длина волны в вакууме. Соответственно длина волны в полом волноводе с Н- и Е-волнами

.

Для гибридных волн фазовая скорость зависит от частоты более сложным образом, и расчет соответствующих дисперсионных характеристик производится на ЭВМ по специальным программам. Дисперсия заметно влияет на частотные характеристики устройств, построенных на отрезках линий передачи, и должна приниматься во внимание при проектировании таких устройств.

Коэффициент затухания. Распространение электромагнитной волны вдоль любой реальной линии передачи сопровождается ослаблением мощности бегущей волны по закону где - мощность, переносимая бегущей волной через начальное сечение линии передачи; - коэффициент затухания; - расстояние вдоль линии передачи в сторону движения волны. Затухание обусловлено неизбежным расходом части распространяющейся мощности на нагрев проводников и диэлектриков, а также на образование паразитного излучения. Коэффициент затухания принято выражать в логарифмических единицах - неперах на метр: или децибелах на метр: . Между этими единицами существует очевидное соотношение: 1 дБ/м ≈ 0,115 Нп/м или 1 Нп/м ≈ 8,68 дБ/м.

Способы расчета коэффициента затухания в линиях передачи изучаются в электродинамике. Напомним, что наиболее употребительная формула для расчета коэффициента затухания (Нп/м) имеет следующий вид: где — удельная мощность потерь на единицу длины линии передачи.

При расчете удельной мощности потерь обычно полагают, что структура полей и распределение токов по поверхности проводников линии передачи сохраняются такими же, как и при отсутствии потерь. На основании теории скин-эффекта глубина проникновения поля в проводник (см) и удельное сопротивление квадрата поверхности проводника (Ом) определяются формулами

(1.1)

где - относительная магнитная проницаемость металла; длина волны генератора, см; - коэффициент (в приложении 2 он обозначен q), учитывающий отличие проводимости металла проводника от проводимо­сти меди (А=1 для меди; 0,98 для серебра; 1,35 для алюминия; 5,1 для латуни; 1,2 для золота).

Удельную мощность потерь в проводниках линии передачи .можно найти интегрированием элементарных потерь 0,5| | , по пе­риметру поперечного сечения проводников линии передачи, где - поверхностная плотность электрического тока.

Удельную мощность потерь в заполняющем диэлектрике рассчитывают обычно с использованием выражения для неискаженной структуры электрического поля в линии передачи путем интегрирования элементарных потерь по площади поперечного сечения диэлектрика (здесь и - параметры диэлектри­ка, заполняющего данную часть линии передачи).

Возрастание частоты почти всегда приводит к увеличению коэффициента затухания. Существуют лишь редкие исключения из этого правила, например для волны типа Н₀₁ в круглом волноводе. Коэффициент затухания из-за потерь в диэлектрике растет прямо пропорционально частоте со (при постоянном ), а коэффициент затухания из-за потерь в проводниках увеличивается с ростом частоты более медленно - прямо пропорционально квадратному корню из частоты. В полых волноводах коэффициент затухания, кроме того, зависит от соотношения между рабочей и критической частотами: при приближении рабочей частоты к критической наблюдается быстрое увеличение затухания и на критической частоте коэффициент затухания стремится к бесконечности.

Максимальная пропускаемая мощность ограничивается электрическим пробоем или перегревом проводников и изоляторов линии передачи. При работе в импульсном режиме с высокой скважностью более опасен электрический пробой, а при передаче больших мощностей в непрерывном режиме возникает опасность и теплового разрушения линий передачи, допустимую мощность в линии обычно принимают равной 25 - 30% от критической мощности, вызывающей пробой или перегрев в режиме чисто бегущей волны. Примерно трехкратный коэффициент запаса учитывает возможное снижение электропрочности из-за влияния различных нерегулярностей и рассогласования тракта.

При укорочении рабочей длины волны размеры поперечного сечения линии передачи приходится уменьшать, чтобы не допустить распространения волн высших типов. Уменьшение поперечного сечения увеличивает концентрацию поля в линии передачи и вызывает соответствующее снижение пропускаемой мощности. При укорочении длины волны, как уже отмечалось, возрастает коэффициент затухания, и в сочетании с затрудненным теплоотводом при меньшем поперечном сечении это также уменьшает максимальную пропускаемую мощность из-за возможности перегрева.