УСВЧ FINAL. Линии передачи определение регулярные, нерегулярные, однородные, неоднородные. Открытые, закрытые их достоинства и недостатки, применения. Примеры
 Скачать 10.27 Mb.
|
ЛП – устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. Направление распространения определяется взаимным расположением источника ЭМ колебаний и нагрузки в ЛП. Источником ЭМ колебаний может служить генератор, подключенный к ЛП, приемная антенна, и пр. Нагрузкой служат: устройство преобразующее ЭМ энергию в тепло, излучающая (передающая) антенна и пр. Примеры ЛП: коаксиальный проводник, витая пара, телефонный кабель, волновод. К СВЧ устройствам относят отрезки ЛП и преобразователи СВЧ энергии, ответвители, фильтры, вентили. Совокупность СВЧ устройств образует тракт СВЧ. Регулярные ЛП – ЛП, в продольном направлении которой неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих ее сред. (Волновод) Нерегулярные – Если одно из условий регулярности отсутствует. (Резонатор ???)  Однородные ЛП – ЛП, поперечное сечение которой заполнено одной средой. (витая пара, коаксиал, МПЛ, СПЛ, НПЛ) Неоднородные – поперечное сечение заполнено разными средами. (соседние выводы в соединителе)  Открытые ЛП – ЛП, в которой поперечное сечение не имеет замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. (МПЛ) Закрытые – поперечное сечение имеет замкнутый проводящий контур. (волновод) Волновод – ЛП, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, полностью охватывающих область распространения ЭМ колебаний. (закрытая ЛП)  Открытые: проволочные, полосковые, диэлектрические, волоконно-оптические, квазиоптические. Закрытые (волноводы): коаксиальные, прямоугольные, круглые. Закрытыми или экранированными называются линии, в которых область существования поля ограничена снаружи замкнутой металлической оболочкой – внешней трубой, за пределы которой поля не проникают, в силу чего спектр поперечных волновых чисел оказывается дискретным. Примерами таких линий являются одиночная металлическая труба (волновод) с любой формой поперечного сечения, а также коаксиальная линия (труба с вложенным внутрь нее металлическим стержнем). В открытых линиях внешняя металлическая оболочка отсутствует. Примерами открытых линий могут служить так называемая полосковая и двухпроводная линии. Требования к ЛП:
Недостатком открытой ЛП является то, что она допускает излучение волн в пространство и прием из пространства. С этим и связаны потери мощности сигнала и влияние внешних помех на передачу сигнала. Излучение и прием волн происходит в местах нарушения прямолинейности линии. Открытые линии непригодны из-за того, что расстояние между проводами становится соизмеримым с длиной волны и линии начинают заметно излучать. Экранированные (закрытые) же линии не имеют излучения. По сравнению с открытыми линиями преимущество закрытых линий в том, что они не имеют антенного эффекта, более удобны при монтаже, в частности могут быть зарыты в землю, лучше защищены от влияния атмосферных условий. С другой стороны, закрытые линии более сложны по конструкции, чем открытые, и поэтому более дорогие. В закрытых линиях труднее обнаруживать повреждения и устранять их.
Фидер – ЛП, устройство, по которому осуществляется направленное распространение ЭМ волн от источника к потребителю. Термин «фидер» используется, когда говорят о приемо-передающих трактах в радиотехнике. Типы волн:
Дисперсионная характеристика - зависимость фазовой скорости от частоты. Т-волна (дисперсии нет) : Ѵф =  Е, Н – волны: Ѵф =  Коэффициент затухания: Распространение ЭМ волны в ЛП сопровождается уменьшением напряжения бегущей волны по закону, характеризуемому коэффициентом затухания α [дБ/м]:   Рассогласование тракта: 
Рнесогл = (1 - |Г|2 - |Т|2 - |R|2 - |KBT|2) * Pсогл Электрическая прочность – характеристика диэлектрика, минимальная напряженность электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твердые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью.  Предельная и допустимая мощности: В режиме бегущей волны максимальная пропускная способность ограничивается электрическим пробоем или недопустимым перегревом проводников и изоляторов. Увеличение уровня передаваемой средней мощности по реальной линии передачи приводит к увеличению мощности потерь в металлических элементах линии и заполняющем диэлектрике, что сопровождается нагревом последних. Если при этом нагреве температура любого материала, из которого изготовлена линия, достигает некоторой предельной величины, происходит его разрушение (например, расплавление диэлектрика) и наступает так называемый тепловой пробой. Поэтому максимальное значение передаваемой по линии мощности ограничено как электрическим, так и тепловым пробоем. Для определения максимальной передаваемой по линии мощности вводят понятия предельной и допустимой мощностей. Предельной (Рпр) называют наименьшую мощность, при которой возникает либо электрический, либо тепловой пробой в режиме бегущей волны. Допустимую мощность (Рдоп) принимают в несколько раз меньше предельной: Рдоп= (0,2...0,3) Рпред. Это связано с тем, что появление отраженных волн в реальной линии приводит к увеличению напряженности электрического поля в отдельных сечениях линии, что может привести к электрическому или тепловому пробою при мощности существенно меньшей Рпред. Волновое сопротивление: ВС – сопротивление, при котором не происходит отражений. Оно зависит от геометрической формы линии, то есть, от размеров ее проводов и от из размещения в пространстве, а также от потерь в ЛП и от использующихся диэлектриков. Волновое сопротивление (Ом)- параметр, определяющий соотношение между амплитудами падающих волн напряжения и тока: = Uпад/ Iпад. Волновое сопротивление зависит от формы и размеров проводников в поперечном сечении линии, степени заполнения поперечного сечения изоляцией и ее относительной диэлектрической постоянной Соотношение между волновым сопротивлением, погонной емкостью и индуктивностью:  .Погонные параметры: Распределенные или погонные параметры: емкость, индуктивность и активное сопротивление потерь.
Погонные сопротивление R1 и проводимость G1 зависят от проводимости материала проводов и качества диэлектрика, окружающего эти провода. Согласно закону Джоуля — Ленца, чем меньше тепловые потери в металле и в диэлектрике, тем меньше R1 и больше G1. Погонные индуктивность L1 и емкость C1 определяются формой и размерами поперечного сечения проводов, а также расстоянием между ними. А  и  — погонные комплексные сопротивление и проводимость линии, зависящие от частоты  .
Фидерная линия должна удовлетворять следующим требованиям:
Иногда в качестве фидеров используют телефонный кабель, шнуры и монтажные провода, качество которых не велико. Частотная зависимость затуханий в проводниках и диэлектриках: Различают два вида потерь - в проводнике и в диэлектрике. В проводнике возникают тепловые потери, в диэлектрике энергия расходуется на его поляризацию диэлектрика. Оба вида потерь возрастают с ростом частоты. Затухание убывает с увеличением частоты. Следовательно, зависимость затухания от частоты описывается функцией, имеющей максимум. Физическая причина такой частотной зависимости затухания волн заключается в том, что в диапазоне частот время свободного пробега электрона меньше периода колебаний. За определенное время электрон отбирает малую часть энергии волны, и энергия волны передается нейтральным молекулам малыми порциями. При определенной частоте наблюдается явление резонанса, и происходит наибольшее поглощение энергии волны. Фидерные линии, работающие в режиме стоячих (вернее, смешанных) волн, применяются только в случае, если длина фидера невелика, например равна 1/4λ, или 1/2λ. Такие фидеры, в частности, используются для распределения энергии между отдельными элементами сложных направленных антенн. В линиях со стоячей волной потери энергии выше, а кпд ниже, чем у линий с бегущей волной. Линия со стоячей волной должна быть строго определенной длины, равной целому числу (четному или нечетному) четвертей длины волны. Линии с бегущей волной имеют ряд существенных преимуществ. Потери энергии в них меньше, и поэтому кпд выше, что важно при значительной длине линии. Напряжение и ток в случае бегущих волн меньше, чем при стоячих волнах. При меньшем напряжении предъявляются менее жесткие требования к изоляции линии. Удобно то, что при линии с бегущей волной генератор нагружен на постоянное и чисто активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии и не зависящее от ее длины. Поэтому линия с бегущей волной может быть сделана любой длины независимо от длины волны. Вся энергия волн, передаваемых по линии, за исключением небольшой ее доли, теряющейся в самой линии, отдается в передающую антенну. Чтобы получить режим бегущей волны, надо обеспечить равенство нагрузочного сопротивления и волнового сопротивления линии, т.е. согласовать линию с нагрузкой. Принцип электродинамического подобия и его использование при расчетах и экспериментальных исследованиях. Применительно к антеннам формулируется следующим образом: антенна, работающая на частоте f1, не изменит своих характеристик, если на новой более высокой(или низкой) частоте f2 = n⋅f1 ее геометрические размеры будут уменьшены(увеличены) в n раз, электрическая проводимость будет увеличена (уменьшена) в n раз (σ2=n⋅σ1), а электрическая и магнитная проницаемости материалов антенны и среды останутся без изменений. Принцип используется, например, при пересчете характеристик и параметров антенн с одной частоты на другую или при моделировании и экспериментальных исследованиях антенн. Трудно точно выполнить все условия принципа подобия, в частности увеличение σ. Это приведет к другим значениям тех параметров, которые учитывают потери. Но характеристики излучения антенны при этом не изменятся.
Чтобы исключить искажения сигналов и обеспечить согласование с другими устройствами, волноводы обычно используются в одноволновом режиме. Теоретически одноволновый режим, например в прямоугольном волноводе, может сохраняться в двукратной полосе частот. Используемый же на практике диапазон частот не превышает полуторакратного, поскольку в области частот, близких к критической, велики потери энергии и мала допустимая мощность, передаваемая по волноводу. Волна основного типа - это волна, имеющая наибольшую критическую длину волны данной линии передачи. Для прямоугольного волновода волна основного типа-волна Н10 (λкр10=2а(2b < a)) Для круглого волновода волна основного типа-волна Н11  Волна высшего типа-электромагнитная волна, имеющая критическую частоту выше, чем критическая частота основной волны. Появляется когда длина волны возбуждаемых колебаний меньше полусуммы периметров проводников. Длиной волны λ в линии передачи называется расстояние, на котором фаза бегущей электромагнитной волны вдоль направления распространения изменяется на 2π. Критическая длина волны — это наибольшая длина волны, которая может распространяться в волноводе для данного типа колебаний. Характерной особенностью распространения волн в закрытых волноводах является наличие ярко выраженной дисперсии, заключающейся в том, что групповая скорость (скорость распространения энергии или сигнала) и фазовая скорость (скорость перемещения фазового фронта волны) зависят от частоты. В отличие от электромагнитной волны в однородной среде, где фазовая скорость равна групповой и совпадает со скоростью распространения света в ней, в волноводе групповая скорость меньше, а фазовая скорость больше скорости распространения света в среде, заполняющей волновод. Поэтому длина волны в волноводе больше длины волны в среде (как следствие, появляются искажения).
ЭМ волна – распространяющееся в пространстве возмущение ЭМ поля. Падающая волна – бегущая волна, создаваемая генератором и двигающаяся от выбранного начального сечения. Отраженная волна – бегущая волна в ЛП, порожденная нерегулярностью или нагрузкой и распространяющуюся в направлении, обратном падающей волне. Волна основного типа – волна, имеющая наибольшую критическую длину волны данной ЛП. Длина волны – расстояние, на котором фаза бегущей ЭМ волны вдоль направления изменяется на 2π. Критическая длина волны – наибольшая длина волны, которая может распространятся в волноводе для данного типа колебаний. Фазовая скорость – скорость перемещения точки , обладающей постоянной фазой колебательного движения, в пространстве вдоль заданного направления. Ѵф = ω /k. Волновое сопротивление – сопротивление, которое встречает ЭМ волна при распространении вдоль однородной линии без отражения. ВС не зависит от длины кабеля и постоянно в каждой точке. Двухпроводные ЛП: Распространяются Т-волны. Дисперсии не имеют. Фазовая скорость равна скорости распространения света в среде. Погонные параметры: ёмкость, индуктивность и активное сопротивление потерь. Двухпроводные линии передачи применяются на низких частотах вплоть дометрового диапазона длин волн. На более высоких частотах их применение нецелесообразно, так как расстояние между проводниками становится соизмеримым с длиной волны и резко возрастают потери, связанные с излучением энергии. Состоит из двух параллельных проводников. Сопротивление двухпроводной линии лежит в пределах 200-600 Ом. Электромагнитное поле сосредоточено как внутри, так и за линией.  Используется в коротковолновом диапазоне волн  .Отрезки двухпроводной линии используют как резонансные элементы СВЧ, вплоть до сантиметрового диапазона. Распределение поля в поперечном сечении:  Волновое сопротивление:    где  – глубина проникновения,  - проводимость.С увеличением расстояния между проводниками увеличивается излучение проводов в линии, следовательно, увеличиваются потери за счет излучения. Используют экранированные линии:  Эти линии используются значительно реже коаксиальных, ввиду того, что они излучают электромагнитное поле, менее удобны в эксплуатации и подвержены внешним климатическим воздействиям. Конструктивно, они представляют собой два одинаковых провода, диаметром d, разнесенных на определенное расстояние D, с помощью распорок из диэлектрического материала. Диаметр проводов, и расстояние между их центрами, определяет волновое сопротивление линии. Коаксиальные ЛП:  Структура поля в поперечном сечении линии  Волновое сопротивление:  где Е – относительная диэлектрическая проницаемостьРаспространяются волны как дисперсионного, так и бездисперсионного типа. Без дисперсии – волны Т типа, для которых λкр=∞, λв=λ0. Т волна – основная для коаксиала. Коаксиальные линии применяются на УКВ (ультракороткие волны) и в дециметровом диапазоне длин волн. В сантиметровом диапазоне их применение в качестве ЛП ограничено из-за роста тепловых потерь.
В T-волне векторы напряжённости электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В реальной коаксиальной линии всегда имеется слабая продольная компонента электрического поля на проводниках, которая возникает из-за падения напряжения вдоль проводников при протекании по ним тока. Обычно этой слабой продольной компонентой электрического поля пренебрегают или учитывают ее присутствие методами теории возмущений, когда это необходимо для расчета затухания волны в линии за счет потерь в ее стенках. Коаксиальный кабель – кабель, состоящий из центрального проводника и экрана, которые расположены соостно. Служит для передачи высокочастотных сигналов. Марки кабелей должны состоять из букв, означающих тип кабеля, и трёх чисел (разделённых дефисами). Первое число означает значение номинального волнового сопротивления. Второе число означает: для коаксиальных кабелей — значение номинального диаметра по изоляции, округлённое до ближайшего меньшего целого числа для диаметров более 2 мм (за исключением диаметра 2,95 мм, который должен быть округлен до 3 мм, и диаметра 3,7 мм, который округлять не следует). Третье двух- или трёхзначное число означает: первая цифра — группу изоляции и катего рию теплостойкости кабеля, а последующие цифры означают порядковый номер разработки.
Полосковая линия представляет собой радиоволновод для передачи электромагнитных волн в воздушной или другой диэлектрической среде вдоль двух или более проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. Основным типом волн является волна Т-типа. Фазовая скорость Т-волны равна скорости распространения света в среде.    Различают два основных типа полосковых линий: симметричные и несимметричные  Микрополосковая линия — несимметричная полосковая линия передачи СВЧ, для передачи электромагнитных волн в воздушной или, как правило, в диэлектрической среде, вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. Линии получили название микрополосковые, т.к. в результате высокой диэлектрической проницаемости подложки её толщина и поперечные размеры полосы много меньше длины волны в свободном пространстве. В микрополосковой линии распространяется квази-Т волны и силовые линии электрического поля проходят не только в диэлектрике, но и вне его. Основной недостаток, ограничивающий применение, — возможность применения только при малых и средних уровнях мощности СВЧ колебаний. Волновое сопротивление полностью зависит от конструкции. От длины проводника, от расстояния между слоями и т.д. Структура электромагнитного поля. 
Прямоугольный волновод (ПВ) - линия передачи СВЧ диапазона в виде металлической трубы прямоугольного сечения, заполненной однородным изотропным диэлектриком (чаще всего - воздух). ПВ используется в сантиметровом и верхней части миллиметрового диапазонов. Для поперечных размеров ПВ приняты следующие обозначения: a - величина широкой стенки; b - величина узкой стенки.  Основными преимуществами ПВ, которые обусловливают их широкое применение в технике СВЧ, являются:
К недостаткам ПВ следует отнести большую массу и габариты, что ограничивает возможности их использования в составе бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли и других космических аппаратов. Однако, современные технологии позволяют изготавливать ПВ путем напыления слоя серебра на внутреннюю поверхность прямоугольной трубы, изготовленной из пластика, что существенно уменьшает массу ПВ.  Основной в прямоугольном волноводе является волна Н10. Критическая длина волны устанавливает верхний предел длин волн, при котором происходит распространение энергии по волноводу. λкр = 2*a. Волноводы – как линии передач используются в см диапазоне волн. Отрезки волноводов в качестве элементов устройств СВЧ. В волноводах направляемая э/м волна типа Е или Н:  . Для волн этого типа существует критическая длина волны  ,где индексы m и n определяют число вариаций в распределении поля волны данного типа по оси x и y. Волна данного типа будет распространяться, если  . Распространение электромагнитных волн (ЭМВ) в таких волноводах сопровождается явлением полного отражения от границы раздела. Границей раздела в полых волноводах является граница между металлической стенкой волновода и диэлектриком, заполняющим его полость; в диэлектрических волноводах - граница между двумя диэлектриками: диэлектриком, из которого сделан волновод и диэлектриком окружающего пространства. Структура поля ПВ:      Технология изготовления: Широко распространен способом изготовления волноводных звеньев из стандартных труб прямоугольного сечения. В качестве материала используют латунь, алюминий и медь. При одинаковых способах обработки чистота поверхностей латунных деталей получается выше, чем у других материалов. Процесс изготовления складывается из следующих этапов:
Волноводы широко применяются для передачи сантиметровых волн. Стенки волноводов играют роль экрана, не дающего ЭМ волнам распространяться в разные стороны и заставляющего их перемещаться вдоль волновода. Применение: В РЛС, ускорительной технике элементарных частиц , дублирование переговорных устройств, для построение фильтров, обработка сигналов.
 Волновод круглого сечения-полая металлическая трубка, круглого сечения, служащая для передачи радиоволн. Для волны Е типа критическая длина волны  для волны Н типа  , где µ и ν значения корней производных функций Бесселя. Основным является волна типа Н11, для ее существования необходимо, что бы ее критическая длина волны была максимальна. Мощность, передаваемая в согласованном режиме по круглому волноводу с диэлектрическим заполнением на волне основного типа, равна  Характеристические сопротивления для волн электрического и магнитного типов определяются по тем же формулам, что и для прямоугольного волновода  Волновое сопротивление находится следующим образом  , где Qm-комплексная амплитуда заряда на единицу длины проводника, С1-погонная емкость линии.Широко распространен способ изготовления волноводных звеньев из стандартных труб, в качестве металла применяют латунь, медь, алюминий. При одинаковой обработке чистота поверхности латунных деталей выше, чем у других материалов. Процесс изготовления:
Круглые волноводы используются значительно реже, чем прямоугольные, что обусловлено поляризационной неустойчивостью основной волны типа Н11. В практическом отношении весьма ценно, что в круглом волноводе могут существовать симметричные типы волн, на основе чего работает ряд устройств свч вращающееся волновое сочленение, необходимое для подключения передатчика (или приемника) радиолокационной станции к вращающейся антенне.
Поверхностная волна - электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль границы раздела двух сред и возникающая при падении плоской электромагнитной волны из диэлектрика с большой диэлектрической проницаемостью на поверхность диэлектрика с меньшей диэлектрической проницаемостью. Поверхностная волна создается искусственно в антеннах поверхностных волн. Технические характеристики ЛП с ПВ: Структура поля Типы волн – Т, Е,Н, ЕН Фазовая скорость = с*ξ Длина волны в линии = λ0*ξ, г де ξ-поверхностный импеданс Свойство изменения фазовой скорости с помощью смены величины ξ применяется для создания линзовых антенн с переменным показателем преломления Существование и свойства поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) следуют из уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями. К линиям передачи поверхностных волн относятся диэлектрический волновод, который часто выделяют в самостоятельную линию передачи, провод с диэлектрическим покрытием, провода с ребристыми структурами. Основной особенностью поверхностных волн, распространяющихся вдоль какой-либо линии поверхностных волн, является быстрое (по экспоненциальному закону) спадание амплитуды поля при удалении от линии. Однако поверхностная волна занимает некоторый объем вокруг линии и предметы, находящиеся вблизи нее, искажают картину поля, что приводит к возникновению отражений в линии и потерям. Уменьшение объема, занимаемого основной частью поверхностной волны , ведет к увеличению затухания в самой линии. Поэтому конструируя такую линию, надо учитывать и внешние воздействия и свойства самой линии. К недостаткам линий с поверхностной волной следует отнести трудности, связанные с выполнением изгибов линии, так как при этом возникают потери на излучение и влияние на параметры линии метеорологических условий. Тем не менее простые в конструктивном отношении линии поверхностных волн могут найти практическое применение. В поверхностной волне энергия сосредоточена в узкой окрестности границы раздела, и состояние поверхности существенно влияет на их распространение. Именно поэтому ПВ являются источником информации о поверхности. Волны такого типа возникают при падении объемной волны из диэлектрика на поверхность металла, что обуславливается некоторыми особенностями распространения волн в средах со свободными зарядами, примерами которых являются металлы. Поверхностные волны нашли свое применение в оптике, их используют для высокочастотных измерений оптических констант, металлических зеркальных поверхностей и в оптической микроскопии сверхвысокого разрешения.
ВОЛ - линии оптической связи, в которых передача информации осуществляется с помощью волоконно-оптических элементов, линии предназначенные для передачи информации в оптическом (как правило — ближнем инфракрасном мкм или нм) диапазоне. Оптическое волокно состоит из стеклянной трубки, составленной из нескольких слоев стекла, которые при рассматривании в поперечном срезе выглядят как концентрические круги. Каждый слой (или кольцо) стекла имеет свой показатель преломления. Из предыдущего обсуждения можно видеть, что для того, чтобы послать свет вдоль центра этих концентрических стеклянных труб, необходимо, чтобы имело место полное внутреннее отражение. Оно проведет свет через волокно. Для достижения полного внутреннего отражения внешние слои стекла должны иметь меньшие показатели преломления, чем у внутреннего стеклянного стержня, по которому проходит свет. Диаметры оболочки и покрытия, показанные на рисунке, приняты в качестве стандартных для большинства использующихся в мире волокон, а диаметр сердечника и показатели преломления различаются в зависимости от вида волокна. Диаметр круглого волокна составляет несколько длин волн электромагнитных колебаний.  Если луч переходит из оптически более плотной среды в менее плотную n1= n2, то γ > α. Путем увеличения угла падения можно достичь состояния, при котором преломленный луч будет скользить по границе раздела сред, не переходя в другую среду. Угол падения при котором имеет место данный эффект, называется критическим углом αкр. Для критического угла следующее отношение:  |