2.6 Линии передачи энергии высокой частоты

2.6.1 Бегущие и стоячие волны

Линии передачи электромагнитной энергии от передатчика к антенне и от антенны к приемнику называются фидерами. Если геометрическая длина линии больше рабочей длины волны или соизмерима с ней, то такие линии называются длинными линиями. Отношение геометрической длины линии к длине волны принято называть электрической длиной ли­нии. Говорят: электрическая длина линии λ, 2λ, λ/2, λ/4 и т. д.

Простейшей линией является двухпроводная. Если на входе двухпроводной линии бесконечной длины включить генератор пе­ременной ЭДС, то по ней будет распространяться бегущая волна. Скорость распространения волны зависит от среды, окружаю­щей линию, и определяется выражением

У бесконечно длинной линии волна никогда не достигает конца, и энергия источника полностью поглощается линией. Сле­довательно, бесконечно длинная линия представляет для генера­тора активную нагрузку. При такой нагрузке напряжение и ток в линии совпадают по фазе. Режим работы линии, при котором вся энергия источника расходуется в нагрузке, называется ре­жимом бегущей волны или просто бегущей волной.

Отношение амплитуды или действующего значения напряжения бегущей волны к амплитуде или действующему значению тока называется волновым сопротивлением:

Погонная емкость C₁ или индуктивность L₁ — это со­ответственно емкость или индуктивность отрезка ли­нии длиной 1 м.

На рис. 2.53 показано распространение бегущей волны в одном проводе. В другом проводе происходит аналогичный процесс, но в противоположной фазе. Предположим, что в момент подключения генератора к линии напряжение на его зажимах равнялось ампли­тудному значению, но вол­на еще не успела распро­страниться вдоль линии (рис. 2.53, а). Через чет­верть периода напряжение, равное амплитудному, рас­пространится в линии на

расстояние, равное четверти волны. Напряжение же генератора в это время окажется равным нулю (рис. 2.53,б). Через полпе­риода максимум напряжения переместится на полволны, а на­пряжение генератора изменится на обратное и станет максималь­ным (рис. 2.53, в). С течением времени фронт волны будет рас­пространяться по линии все дальше и дальше.

Если на конце отрезка линии независимо от его длины вклю­чить активное сопротивление (рис. 2,54, а), равное волновому, то в такой линии по сравнению с бесконечно длинной линией в про­цессе распространения энергии никаких изменений не произой­дет— в ней установится режим бегущей волны.

В длинной линии, замкнутой на конце, под действием источ­ника переменной ЭДС, распространяются две бегущие волны: падающая – от генератора к концу линии и отражённая – от конца линии к генератору. В результате сложения падающей и отражённой волн образуется стоячая волна (рис. 2.54, б).

Характерным для стоячей волны является наличие узлов и пучностей напряжений. Узлами называются точки, в которых напряжение равно нулю, а пучностями – те точки, где оно имеет наибольшее значение. Узлы и пучности не меняют своего положения, они как бы стоят на месте, поэтому суммарная волна и получила название стоячей.

Помимо стоячей волны напряжения в линии образуется стоячая волна тока как сумма падающей и отражённой волн тока.

Приведённые на рисунке 2.54 стоячие волны напряжений и тока в замкнутой и разомкнутой линии показывает, что в обоих случаях сдвиг фаз тока и напряжения равен 90^о – поэтому в линии нет активных потерь мощности: P=UIcos(90^o)=0.

Для характеристики режима в линии введён коэффициент бегущей волны КБВ, который показывает, какую долю мощности падающей волны поглощает нагрузка. Коэффициент бегущей волны — это отношение минимального напряжения (тока) в ли­нии к максимальному напряжению (току):

Для режима бегущей волны в линии КБВ = 1. Для режима только стоячей волны он равен нулю. Чем ближе КБВ к единице, тем меньше стоячая волна, тем лучше режим в линии при работе ее в качестве фидера, тем меньше потери в линии, тем большую мощность отдает генератор через линию в нагрузку. А это будет тогда, когда сопротивление нагрузки линии близко к волновому. В фидерах радиолокационных станций величина КБВ изменяется в пределах 0,6—0,95.

Величина, обратная КБВ, называется коэффициентом стоячей волны КСВ: