Тема 8. Коаксиальные и двухпроводные линии передачи

8.1 Коаксиальный волновод

8.2 Однопроводная линия передачи

8.3

8.1 Коаксиальный волновод представляет собой систему, состоящую из двух соосных металлических цилиндров, разделенных слоем диэлектрика. На рисунке 8.1 приведено схематическое изображение коаксиального волновода.

Рисунок 8.1

К основным достоинствам коаксиальных линий передачи относятся следующие:

1. Широкополосность, т.е. способность пропускать широкую полосу рабочих частот;

2. Электромагнитное поле, имеющее структуру ТЕМ-волны, распространяется в пространстве между цилиндрами и во внешнюю среду волна не выходит, т.е. отсутствует паразитное излучение;

3. Возможность изготовления в виде гибких коаксиальных кабелей.

Благодаря таким достоинствам, коаксиальные волноводы нашли широкое применение, чаще всего их используют для соединения узлов и блоков радиоаппаратуры. Такие волноводы применяются как в метровом, так и в сантиметровом диапазонах, обычно не выше 20 ГГц. Хотя в некоторых случаях они могут использоваться и на более высоких частотах в виде коротких отрезков. Незначительная длина волноводов в таких случаях обусловлена большим затуханием, составляющим более 1дБ/м.

Коаксиальные кабели изготавливают в виде жестких и гибких конструкций. Установлено, что по коаксиальному кабелю могут передаваться волны любых частот, включая частоту постоянного тока. Структура поля электромагнитной волны соответствует типу ТЕМ, т.е. E_Z=0, Н_Z=0.

При изучении распространения электромагнитной волны вдоль коаксиальной линии передачи применяют цилиндрическую систему координат, которая, как известно, задается углом , радиусом r, и координатой z, т.е. (r, , z).

Напряженность электрического поля можно также записать в виде

(8.1)

Отметим, что рабочий диапазон частот коаксиальных линий передачи энергии ограничен только со стороны высоких частот тем фактом, что при высоких частотах возможно возбуждение высших типов волн. Для коаксиальной линии ближайшим высшим типом волны является волна Н₁₁, структура которой является сходной со структурой Н₁₁ в круглом волноводе.

Для волны Н₁₁ критическая длина волны определяется формулой

, (8.2)

где D – диаметр большого цилиндра, d – диаметр малого цилиндра.

минимальная длина волны, распространяющаяся в коаксиальном волноводе, определяется формулой

(8.3)

Дальнейшее уменьшение размеров ограничено. Такое ограничение связано с увеличением тепловых потерь, уменьшением электрической прочности и усложнением технологии изготовления.

Для коаксиальной линии расчет напряжения и волнового сопротивления производится по формулам

(8.4)

(8.5)

Пробивное напряжение коаксиального волновода определяется формулой

, (8.6)

где - предельная (максимальная) напряженность поля.

Для коаксиального волновода с воздушным заполнением . Тогда напряжение пробоя . Максимум пробивного напряжения соответствует соотношению , при этом волновое сопротивление

Ом.

Предельная мощность, которая может передаваться по коаксиальному волноводу, определяется соотношением

(8.7)

Затухание волны в коаксиальном кабеле вызвано потерями энергии, обусловленными тепловыми потерями в проводнике, а также потерями в диэлектрике.

Так, для коаксиальной линии с медными проводниками потери можно рассчитать, исходя из формулы

, дБ/м , (8.8)

где  - относительная диэлектрическая проницаемость, f – линейная частота, D, d – диаметры соответственно внешнего и внутреннего цилиндрических проводников.

Минимальное затухание в коаксиальной линии передачи энергии достигается при , что соответствует волновому сопротивлению

Стандартные значения волновых сопротивлений применяемых коаксиальных кабелей соответствуют 50 и 75 Ом.

8.2 Рассмотрим распространение электромагнитной волны вдоль одинарного проводника, покрытого тонким слоем диэлектрика. Такая линия называется однопроводной линией передачи, или линией поверхностной волны (ЛПВ), или линией Губо. Теория линии Губо разработана давно, но практического широкого применения ЛПВ не нашла. Очередной интерес к ЛПВ связан с реализацией возможности ее применения для построения антенных решеток жестких и гибких конструкций с высокой технологичностью изготовления и удовлетворяющих заданным требованиям.

Волноводы линии поверхностной волны (ЛПВ) могут быть успешно использованы для наземных линий передачи СВЧ-энергии на расстоянии .

ЛПВ состоит из цилиндрического проводника 3, покрытого слоем диэлектрика 1, который граничит с воздушным пространством 2.

- поперечное сечение волновода; - топография электрического поля; - трассировка линии

Рис.8.2.

Основной волной ЛПВ является волна , обладающая круговой симметрией и нормированным поперечным волновым коэффициентом Топография электрического поля вокруг стержня ЛПВ приведена также на рис. 10.15б.

Коэффициент затухания ЛПВ, обусловленный потерями в медном проводнике, определяется как

(8.9)

а коэффициент затухания, обусловленный диэлектрик,

, (8.10)

где - частота, МГц, - сопротивление ЛПВ, Ом, - радиус проводника, .

Параметр , где - фазовая скорость поверхностной волны, определяется из трансцендентного уравнения

, (8.11)

а волновое сопротивление ЛПВ