Лекция 9. Двухпроводная и полосковые линии передачи

Двухпроводная симметричная линия состоит из двух параллельных проводников, как правило, круглого поперечного сечения. Используется линия в диапазонах коротких волн (100-10м), метровых (10-1м) и дециметровых волн (1-0.1м). На высоких частотах линия начинает излучать, растут потери и её применение ограничено. Выбором расстояния D минимизируют потери на излучения. Например, при длине волны =100 м и условии D>0,1 излучение линии практически отсутствует. Этим соотношением определяется диапазон рабочих частот двухпроводной линии

Основным типом колебаний такой линии является волна типа T. Структура электромагнитного поля волны типа Т, геометрические размеры линии приведены на рис 4.4. Двухпроводная линия является линией открытого типа (неэкранированной). Электромагнитное поле почти полностью сосредоточено внутри области с радиусом .

Рис. 4.4. Волна типа T в двухпроводной линии передачи

Фазовая скорость волны T вдоль двухпроводной линии равна скорости света c = 3·10⁸ м/с.

Волновое сопротивление линии определяется формулой

(4.19)

Погрешность формулы для D > 5d не превышает 1%.

Практические значения волнового сопротивления линии лежат в диапазоне 400 – 600 Ом. Сопротивление 600 Ом является стандартным.

Распределение тока на поверхности проводников может быть определено по распределению магнитного поля вблизи них. С учетом того, что силовые линии магнитного поля замкнуты, а диаметр проводников много меньше длины волны, можно считать распределение плотности электрического тока по периметру проводников постоянным. Поверхностный ток меняет направление через полдлины волны в линии. В проводниках направление тока противоположно.

Затухание двухпроводной линии определяется конечной проводимостью материала проводников. Например, для меди

, (4.20)

где – поверхностное сопротивление металла;

- волновое сопротивление линии.

Часто двухпроводная линия выполняется в диэлектрической оболочке. Влияние диэлектрика приводит к уменьшению длины волны в линии.

Для снижения уровня помехового излучения и приема, двухпроводную линию закручивают, получая линию - «витая пара».

Существенно снизить уровень паразитного излучения позволяет применение экрана вокруг двухпроводной линии. Волновое сопротивление экранированной двухпроводной линии (рис. 4.5) определяется формулой

(4.21)

Рис. 4.5. Экранированная двухпроводная линия

Предельная мощность линии определяется возможностью пробоя на поверхности проводника, где напряженность электрического поля максимальна. Следует учесть, что линия находится на открытом воздухе и подвержена внешним воздействиям. Пробой может возникнуть и по случайным причинам.

Полосковые линии

Большое распространение при конструировании высокочастотной техники нашли полосковые линии передачи. Полосковая линия-линия передачи, состоящая из двух или более изолированных друг от друга проводящих полос. Существует большое многообразие полосковых линий. На практике наиболее часто используются: несимметричная полосковая линия (микрополосковая линия) (МПЛ), симметричная (СПЛ), многосвязные, воздушные и другие. Полосковые линии передачи используются в основном в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Они хорошо интегрируются с активными и пассивными элементами трактов. Полосковые линии удобны и просты по конструкции, хорошо сопрягаются с другими элементами, имеют малый вес и габариты, но передают небольшую мощность. Изготовляются полосковые линии в виде тонких металлических полосок или пленок, разделенных слоем диэлектрической подложки. В качестве диэлектрика используются материалы с малыми потерями в диапазон СВЧ: фторопласт (ФФ4), армированный фторопласт (ФАФ), ФЛАН, полиэтилен, СВЧ керамика (ситалл, поликор). Использование керамики с большой диэлектрической проницаемостью =1015 приводит к уменьшению длины волны и тем самым уменьшению поперечных размеров линии. Высокая способствует большей концентрации поля внутри линии и уменьшает потери на излучение. При изготовлении полосковых линий обычно используют фольгированные диэлектрики.

Несмотря на относительно простую геометрию полосковых линий, электродинамическая задача, как правило, решается численными методами и расчет параметров полосковых линий с заданными характеристиками ведется по специальных программах. Численные результаты представлены в виде таблиц, графиков, рекомендаций. На геометрические поперечные размеры линии накладываются определенные соотношения к длине волны, обеспечивающие эффективность работы линии, регулировку волнового сопротивления, уменьшения вклада поверхностных волн, распространяющихся вдоль диэлектрика.

Важным достоинством полосковых линий является возможность получения волновых сопротивлений в широком диапазоне значений. Со стороны больших сопротивлений ограничение состоит в технологических возможностях изготовления тонких линий. Со стороны малых волновых сопротивлений ограничение состоит в том, чтобы ширина линии была меньше четверти длины волны в линии на рабочей частоте.