4.2. Направляющие системы т-волн

Передача Т-волн возможна только в многосвязных системах

Из многосвязных структур наибольшее распространение получили двухсвязные, у которых изолированных проводников всего два. Простейшим примером двухсвязной структуры служит плоский волновод. Для Т-волны в плоском волноводе характерно следующее.

1. Граничные условия для вектора напряженности электрического поля в плоском волноводе выполняются автоматически. Поэтому структура поля не зависит от расстояния между плоскостями и от длины волны. Следовательно, критическая длина волны бесконечна и система пропускает колебания всех частот.

Многосвязные направляющие системы, работающие на Т-волнах, не имеют ограничения по нижней рабочей частоте

2. Т-волны распространяются без отражения от стенок. Поэтому длина волны в волноводе совпадает с длиной волны в свободном пространстве.

Длина волны в многосвязных направляющих системах совпадает с длиной волны в свободном пространстве

В любой линии передачи с Т-волнами картина силовых линий электрического поля в поперечной плоскости аналогична статической картине, как в заряженном конденсаторе. При этом обкладки конденсатора должны иметь конфигурацию проводников линии передачи.

а	в	г	д
			е
б
Рис. 4.2. Формирование поля в двухсвязных системах

Для того чтобы понять особое положение двухсвязных линий передачи, рассмотрим плоскую волну в свободном пространстве (рис. 4.2, а). Силовые линии электрического поля изображены сплошными линиями и направлены вертикально, а силовые линии магнитного – горизонтальными штриховыми линиями.

Перпендикулярно силовым линиям электрического поля можно поставить две параллельные идеально проводящие плоскости и получить плоский волновод. Эти плоскости не исказят структуру электромагнитного поля потому, что на их поверхности тангенциальные составляющие вектора напряженности электрического поля будут равны нулю. Поэтому между параллельными идеально проводящими плоскостями может распространяться плоская поперечная волна, а во внешней среде поля не будет.

Пара параллельных плоскостей является простейшим примером передающей линии с Т-волнами и прообразом реальных конструкций.

Если между плоскостями поставить две вертикальные перегородки, получим прямоугольный волновод. Но система перестанет быть двухсвязной и Т-волна в ней распространяться уже не сможет.

Начнем скручивать плоскости в разные стороны, как это изображено на рис. 4.2, в. При этом силовые линии электрического поля должны оставаться перпендикулярными нашим деформируемым плоскостям, а силовые линии магнитного поля – перпендикулярны силовым линиям электрического поля. Непрерывной деформацией эти плоскости можно преобразовать в два параллельных провода круглого сечения и получить двухпроводную линию (рис. 4.2, г).

Двухпроводной линией называется направляющая система, состоящая из двух параллельных изолированных проводов

Другая, более распространенная разновидность двухсвязной системы - коаксиальная линия передачи. Ее также можно создать из плоского волновода, если свернуть плоскости в одну сторону (рис. 4.2, д). В результате получим два соосных (коаксиальных) проводника (рис. 4.2, е).

Коаксиальной называется линия передачи из двух соосных металлических цилиндров

Фундаментальным отличием двухсвязных систем от полых волноводов является возможность описания их свойств без использования уравнений электродинамики. В большинстве случаев к ним применимы телеграфные уравнения, которые были получены до Максвелла.

Электрические параметры двухсвязных линии передачи характеризуются погонной емкостью, погонной индуктивностью и волновым сопротивлением, формулы для расчета которых имеются в справочниках

Рассмотрим характеристики основных двухсвязных систем.

Двухпроводная линия полностью соответствует своему названию и состоит из двух параллельных проводов.

Такие линии применяются для передачи энергии в диапазоне частот 3 кГц до 3 МГц. Их основными преимуществами являются простота конструкции и удобство соединения с симметричными нагрузками.

Конструктивно двухпроводные линии могут выполняться из проводников одинакового или разного поперечного сечения, круглых, прямоугольных, ленточных и т.д. Гибкие двухпроводные линии называются симметричными радиочастотными кабелями. Они выпускаются двухжильными и из двух коаксиальных кабелей.

Более распространенной разновидностью двухсвязной направляющей системы является коаксиальная линия.

Распределение электрического поля в сечении коаксиальной линии, работающей на Т-волне, повторяет структуру поля в цилиндрическом конденсаторе, то есть силовые линии электрического поля направлены по радиусам. Ток, идущий от генератора к нагрузке по внутреннему проводнику, возвращается в генератор по наружному или наоборот. Из-за этого силовые линии магнитного поля в пространстве между цилиндрами имеют форму окружности с центром на внутреннем проводнике. Следовательно, вектор напряженности магнитного поля имеет единственную, азимутальную составляющую.

Коаксиальные линии передачи чаще всего используются в виде коаксиальных кабелей.

Выбирая в качестве направляющей системы коаксиальную линию, необходимо учесть возможность существования в ней продольных волн. Поперечные размеры коаксиальной линии следует выбирать так, чтобы при данной длине волны возбуждения в линии распространялась только Т-волна.

Минимальная длина волны, передаваемой по коаксиальной линии, ограничена возможностью возникновения продольных волн

Продольные волны не будут возникать, если выполняется следующее неравенство:

(4.5)

Как правило, коаксиальные кабели - это линии для передачи небольших мощностей в диапазоне частот от постоянного тока до 10 ГГц.

Еще одной разновидностью двухсвязных направляющих систем является полосковая линия.

Полосковой называется линия, состоящая из двух проводящих полосок, разделенных пластиной из диэлектрика

Рис. 4.3. Несимметричная полосковая линия

Пример конструкции несимметричной полосковой линии приведен на рис. 4.3. Такие линии изготавливают путем нанесения проводящих полосок на пластину из диэлектрика с малыми потерями. Полосковая линия отличается от плоского волновода только шириной пластин, поле в ней будет таким же, как и в безграничной среде, за исключением краевых областей, где оно деформируется.

Несимметричная полосковая линия состоит из металлической подложки, слоя диэлектрика толщиной dи металлической полоски ширинойb. Подложка несимметричной линии гораздо шире верхней полоски и может рассматриваться в теории как бесконечная плоскость.

Строгая теория несимметричной полосковой линии весьма сложна. Однако обычно толщина слоя диэлектрика значительно меньшие, чем ширина верхней полоски. Поэтому распределение электрического поля в линии близко к статическому полю в плоском конденсаторе. Без учета краевых эффектов поле можно считать однородным.

Большим преимуществом полосковых линий передачи является возможность их массового изготовления при помощи технологии печатных схем. Это приобретает особое значение в связи с микроминиатюризацией устройств СВЧ.