Рис. 9.10.

9.5.Частичное отражение волн в линиях передачи.

Врежиме стоячей волны напряжение в максимуме вдвое превышает напряжение падающей волн (рис. 9.10), а в результате интерференции падающей и отраженной волн вдоль линии появляются сечения, в которых при отсутствии потерь в линии напряжение равно нулю. Реальные линии всегда вносят затухание, следовательно, амплитуда как падающей, так и отраженной волны уменьшается по мере их перемещения вдоль линии. В результате

Рис. 9.11.

напряжение (ток) в максимумах не достигает удвоенного значения, а в нулях становится невозможной полная компенсация - рис. 9.11.

Для характеристики режима работы линии передачи вводят понятие

Рис. 9.12.

коэффициента стоячей волны по напряжению (KСВu) или просто коэффициента стоячей волны (КСВ), равного отношению (рис.9.12)

где Uпад и Uотр - значения напряжений падающей и отраженной волн в максимумах.

152

В линии без потерь в режиме стоячих волн отношение (9.50) равно бесконечности. В реальных линиях с потерями величина KСВu всегда конечна. Аналогично вводится понятие коэффициента стоячей волны по току KСВi.

Обычно лишь часть энергии падающей волны отражается от нагрузки. Поглощение (полное или частичное) энергии падающей волны нагрузкой возможно, если активная часть сопротивления нагрузки отлична от нуля.

Нагрузкой может быть сосредоточенное сопротивление ZH либо отрезок лини с волновым сопротивлением ZH, отличным от ZВ. В обоих случаях отражение части энергии падающей волны происходит в том сечении AA’, где расположена нагрузка (рис. 9.13).

Рис. 9.13.

Для того, чтобы ввести понятие коэффициента отражения волны, запишем уравнение Кирхгофа в сечении AA’ для тока

Uпад/ZВ-Uотр/ZВ=Uпрош/ZH (9.51)

и напряжения

Uпад+Uотр=Uпрош. (9.52)

Подставляя Uпрош из (9.52) в (9.51), определяем коэффициент отраже-

ния волны по напряжению

Так как сопротивления ZH и ZВ в общем случае комплексны, то комплексна и величина K.

Согласно (9.50) из (9.53) следует, что модуль коэффициента отражения

Величина KСВu в отличие от K всегда действительна и меняется от единицы при идеальном согласовании (ZH = ZВ) до бесконечности при коротком замыкании (ZH=0) или холостом ходе ( ZH = ∞). В реальных устройствах

KСВu обычно не превышает 1,1, что соответствует передаче в нагрузку 99,8% мощности.

По известному значению коэффициента отражения можно определить входное сопротивление линии (рис. 9.14).

153

ГЛАВА 10. ПЛАНАРНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

10.1. Понятие планарных линий передачи.

На рис. 10.1 в поперечном сечении показаны некоторые линии передачи, называемые планарными. В таких линиях проводники выполнены в виде узких металлических полосок, нанесенных на диэлектрическую подложку (экранированную или неэкранированную в случае нескольких полосок), поэтому многие из планарных линий часто называют полосковыми (рис.10.1,а,б,в,ж). Если же проводники представляют собой широкие металлические пластины с прорезанными в них продольными щелями, то такие линии называют щелевыми (рис.10.1,г,з).

Рис. 10.1.

Интенсивное развитие и распространение планарных структур связано в первую очередь с миниатюризацией СВЧ аппаратуры. Так называемые интегральные схемы (ИС) СВЧ обычно формируются из полосковых элементов, располагаемых на одной подложке. Если поперечные размеры полых волноводов не могут быть меньше некоторых критических, то поперечные размеры полосковых линий могут быть, практически, сколь угодно малыми.

Следует заметить, что переход от устройств на полых волноводах к ИС СВЧ, использующих полосковые линии, является возвратом к многосвязным волноводным структурам, к которым относятся двухпроводная линия, в свое время уступившим место полым волноводам. Полые же волноводы широко распространились с 40-х годов прошлого века при освоении сантиметровых волн и по сегодняшний день сохраняют значительную область применения, в частности, при передаче большой мощности.

Волны, направляемые полосковыми и щелевыми линиями, являются гибридными. Это касается и низшей (основной) волны полосковой линии, которая аналогична Т-волне двухпроводной линии. Она так же не имеет отсечки (fкр=0). В типичных условиях – при относительно малых поперечных

155

размерах – поперечные компоненты значительно преобладают над продольными. Дисперсия такой волны невелика. Величину (β/k0)2 для основной волны называют эффективной диэлектрической проницаемостью εэфф полоско-

вой линии ( β – продольное волновое число).

Кроме основной волны полосковой линии, которая получила название квази- Т волны, в этой линии может существовать множество других волн, имеющих разнообразное физическое происхождение. Во-первых, это так называемые экранные волны, связанные с наличием в линии экрана и существующие независимо от полоскового проводника. В результате связи экранных волн, обусловленной внесенным полосковым проводником, образуются комплексные волны. Эти волны, также как и экранные, в состоянии отсечки не переносят энергии, однако повышении частоты все большее число волн выходит из области отсечки. Среди них оказываются и такие волны, поля которых подобно полю основной волны сконцентрированы в области подложки под полосковым проводником. Эти волны называются подполосочными. Основная волна полосковой линии и высшие подполосочные волны будут направляться полосковой линией и без замкнутого экрана; достаточно широкий экран на них почти не оказывает влияния.

Из сказанного следует, что строгая электродинамическая теория направляющих структур, показанных на рис. 10.1, оказывается довольно сложной.

В инженерной практике для описания линий передачи часто используются волновые сопротивления, характеризующие основные волны планарных структур. В случае полосковой линии (рис. 10.1, а) волновое сопротивление можно определить как

где имеется в виду полный ток полоскового проводника. Существует также «энергетическое» определение, согласно которому

Обе формулы дают близкие значения в типичных случаях, когда толщина подложки значительно меньше длины волны в ее диэлектрике (поле в подложке квазистационарно).

В случае щелевой линии

а мощность P вычисляется по (10.2).

Как видно из сказанного выше, планарные, в частности полосковые и щелевые, линии лишь с натяжкой можно отнести к линиям, в которых распространяются Т-волны. Причем наличие диэлектрического слоя и сравнительно сложная геометрия этих линий позволяют произвести простой коли-

156