Лекция 2. Регулярные линии передачи

Учебные вопросы

1. Общие сведения и характеристики линий передачи.

2. Характеристики и параметры линий передачи.

3. Коаксиальные линии передачи. Стандартизация коаксиальных кабелей.

4. Прямоугольные волноводы. Стандартизация волноводов.

5. Круглые волноводы. Волноводы сложного сечения их особенности.

6. Полосковые и микрополосковые линии передачи

1. Общие сведения и характеристики линий передачи

На практике часто встречается необходимость в передаче электромагнитной энергии в нагрузку с наибольшим коэффициентом полезного действия, например, от передатчика к антенне, от антенны к приемнику и т.п. В этих случаях применяется передача энергии с помощью так называемых направляющих систем или линий передачи (ЛП), образованных в большинстве случаев поверхностями металлических проводников.

В технике СВЧ такие линии передачи называют фидерами (от английского глагола to feed – «питать»). Они определяют выбор типа устройств СВЧ, образующих высокочастотный тракт любой радиотехнической системы.

Различают регулярные (если геометрические размеры и электрические параметры поперечного сечения не меняются вдоль линии передачи) и нерегулярные (если хотя бы какие-то из этих условий не выполняются) линии передачи. Иначе их называют однородные и неоднородные, соответственно. Наиболее широкое распространение на практике получили регулярные линии передачи. Они бывают открытого типа, если поперечное сечение ЛП не имеет замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной волны, и закрытого типа, если такой проводящий контур имеется.

К ЛП открытого типа относятся однопроводные, двухпроводные, полосковые, поверхностных волн.

К ЛП закрытого типа – коаксиальные кабели, волноводы.

Общие требования к линиям передачи:

обеспечение минимальных потерь энергии, то есть высокого КПД;

способность к передаче требуемой мощности без электрического пробоя;

необходимая широкополосность;

минимальное излучение энергии в окружающее пространство;

минимально возможные размеры, вес, стоимость;

технологичность изготовления.

В принципе, невозможно создать идеальную направляющую систему, обеспечивающую распространение энергии электромагнитного поля только в одном направлении. Однако в правильно сконструированных линиях рассеяние энергии в других направлениях оказывается пренебрежимо малым. Качество линии передачи определяется ее характеристиками и параметрами.

2. Характеристики и параметры линий передачи

Тип возбуждаемой волны

Существуют ЛП с Т-волнами (двухпроводные, коаксиальные, полосковые) и ЛП с Е- и Н-волнами (прямоугольные и круглые волноводы).

Длина волны в ЛП

Она определяется фазовой скоростью распространения ЭМВ в ЛП и составляет путь, пройденный фазовым фронтом волны за один период высокочастотных колебаний Т_вч:

.

В лп с т-волнами , где λ – длина волны в свободном прост­ран­­с­т­ве, ε и μ – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, заполняющей линию передачи.

В волноводах длина волны определяется выражением

.

Дисперсионная характеристика

Это зависимость фазовой ско­рости в ЛП от частоты (длины волны).

В ЛП с Т-волнами фазовая скорость от частоты не зависит, что подтверждается выражением

. Здесь с – скорость света в вакууме.

В волноводах фазовая скорость зависит от частоты

.

При этом с увеличением час­тоты фазовая скорость уменьшается, то есть волноводы обладают нормальной дис­персией. Это означает, что различные частотные составляющие спектра слож­ного сигнала будут иметь различные фазовые скорости и различные набеги фазы при распространении через один и тот же отрезок ЛП длиной l:

.

Следовательно, суммарный выходной сигнал с учетом различных набе­гов фаз для различных спектральных составляющих не будет копией входного.

Максимальная пропускная мощность

В режиме бегущих волн она определяется таким значением раз­ности потен­циалов в ЛП, при котором наблюдается электрический пробой. Допустимое значе­ние передаваемой по ЛП мощности не должно превышать 25...30% от критической.

Коэффициент затухания

Распространение ЭМВ в ЛП сопровождается уменьшением амплиту­ды нап­ря­жен­ности составляющих поля (или мощности) по законам:

где α – коэффициент затухания. Он выражается либо в Нп/м, либо в дБ/м.

причем 1 дБ/м = 0,115 Нп/м, 1 Нп/м = 8,686 дБ/м.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Он характеризует эффективность передачи электромагнитной энергии вдоль ЛП:

.

Волновое сопротивление ЛП

В ЛП с Т-волнами волновое сопротивление W_л определяется только конструкцией, размерами и электрическими параметрами мате­риала, из которого изго­тов­лен фидер. В волноводах волновое сопротивление зависит также от типа волны, ма­те­риала, заполняющего волновод, и от длины волны электромагнитных колеба­ний:

.