книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

Для средней мощности 50 кет и с учетом того, что погонные потери Ьпот = 3,1*10~3 дб/м, тепло, выделяемое

на 1 м линии, согласно уравнению (6) составит (? = 230.3,Ы О "3-50 = 35 вт/м.

Следовательно, перепад температур в диэлектрическом слое будет равен 0,047*35 = 1,7 °С, что пренебрежимо ма­ ло в сравнении с разностью температур между внешней поверхностью диэлектрика и окружающим воздухом. В соответствии с фиг. 3 эта разность температур состав­ ляет приблизительно 40 °С. Увеличение температуры в линии может привести к некоторому увеличению потерь вследствие температурной зависимости проводимости и

тангенса диэлектрических потерь. Тем не менее линия с внутренним проводником, имеющим диаметр всего 2 см, может выдержать мощность существенно больше, чем 50 кет при частоте 800 Мгц.

В. Потери на излучение. Хотя поле поверхностной волны и уменьшается в радиальном направлении экспо­ ненциально, тем не менее не существует конечного «диа­ метра поля» (т. е. диаметра, на котором все силовые линии оказались бы замкнутыми. — Прим, перев.). Следователь­ но, переход от волны в коаксиальной линии к поверх­ ностной волне не может быть полным. Некоторая малая доля энергии не переходит в поверхностную волну, а из­ лучается в пространство. Эти так называемые потери излучения зависят от протяженности поверхностной вол­ ны в поперечном направлении и от раствора рупора. По­ тери излучения приблизительно составляют ту часть мощности поверхностной волны, которая переносится силовыми линиями, находящимися вне поперечного се­ чения рупора.

На фиг. 4 показаны диаграммы поля, в пределах ко­ торых сосредоточено 50, 75, 90 и 99% энергии поверх­ ностной волны Ш.

В упомянутом выше примере, где ят с10/к = 2,72-10"2, диаметр поля, в пределах которого сосредоточено 95% энергии поверхностной волны, составляет 0,7 м, а для 99% — 15 м. Следовательно, для обеспечения потерь менее 5% на рупор требуется выходной диаметр более 0,7 м.

Г. Некоторые вопросы технологии. Передающие ли­ нии поверхностной волны диаметром менее 1 см делают в основном из проволоки. Могут быть использованы стан­ дартные прутки, но тогда увеличиваются омические потери. Диэлектрическая оболочка обычно состоит из

Конструкция проводника поверхностной волны с большим диаметром [61 показана на фиг. 5. Сердцевиной служит скрученный стальной трос (кабель), покрытый тонким слоем изоляции. Основной проводник состоит из медной фольги, обернутой вокруг изолированного стального ка­ беля. Диэлектрическая оболочка состоит из двух_слоев.

Ф и г. 4. Зависимость диаметра поля Э от величины лтс10/\ для разных потоков мощности.

Фиг . 5. Устройство гибкой линии с поверхностной волной.

I — крученый стальноЛ кабель; 2 — изолятор; з — медная ф ольга с продольны м р азр езо м ; 4 — чистый полиэтилен; 6 — пигм ентирован­ ный полиэтилен.

Внутренний слой из чистого полиэтилена обеспечивает низкие диэлектрические потери, а внешний слой из пиг­ ментированного полиэтилена предохраняет от солнеч­ ных лучей.

Излучатели поверхностных воли содержат трансфор­ мирующую секцию, обеспечивающую связь со стандарт­ ной коаксиальной линией или волноводом и повышаю­ щую волновое сопротивление коаксиальной линии на

участке, примыкающем к рупору. Переход от волны в стандартной коаксиальной линии к поверхностной волне осуществляется в рупоре, который подсоединяется к вы­ ходу трансформирующей секции. На фиг. 6 показан излучатель, который посредством скользящего контакта соединяет коаксиальный кабель с проводником линии с поверхностной волной, не требуя каких-либо дополни­ тельных присоединений.

Широкополосность и к. с. в. н. на входе линии с по­ верхностной волной зависят в основном от конструкции трансформирующей секции излучателя, в то время как к. п. д. определяется главным образом переходом и рас­ твором рупора.

Передающие линии на поверхностных волнах можно подвешивать между двумя возвышающимися пунктами или располагать между поверхностью земли 'и верхней частью антенной башни. Естественное провисание про­

водника не сказывается на величине потерь передачи. Линии должны быть удалены от поверхности земли на расстояние порядка нескольких длин волн, чтобы пре­ дотвратить увеличение потерь, вызванных токами, ин­ дуцированными в земле [7]. Любые предметы, попадаю­ щие в поле поверхностной волны, также вызывают потери излучения. Это относится и к промежуточным опорам, которые требуются для длинных линий. Подвешивание линий поверхностной волны, используемое в телевизион­ ных системах связи, состоит в закреплении линий с по­ мощью нейлоновых растяжек к поперечинам простых столбов. Поскольку такой способ закрепления требует очень мало материала, потери в линии могут быть вызва­ ны только изгибами, которые возникают в местах за­ креплений [8].

Изгиб передающей линии на поверхностной волне, ко­ торый приводит к потерям на излучение, для малых углов

Однако изгибы, вызванные поддержками линии, при­ водят лишь к части этих потерь (порядка 65—70%). При разделении изгиба на несколько изгибов с меньшими углами потери могут быть существенно уменьшены [8].

III. Заключение

Передающие линии поверхностной волны имеют боль­ шой к. п. д., низкую стоимость в сочетании с высокой допустимой мощностью. В сравнении с 50-омными стан­ дартными жесткими коаксиальными линиями с внешним диаметром 15,5 см линии поверхностной волны при диа­ метре всего 2 см на частоте 800 Мгц имеют ту же допусти­ мую среднюю мощность, более высокую пробивную проч­ ность и только 7 3 потерь передачи коаксиальной линии. Естественно, для очень коротких линий дополнительные потери в излучателях, вызванные переходом на поверх­ ностную волну (2—3% для хороших излучателей), стано­ вятся превалирующими. Снег и обледенение на линии

было также обращено внимание на перспективность этих устройств для передачи высокой мощности. В поперечной плоскости поле быстро убывает при удалении от поверх­ ности проводника, сохраняясь, однако, до бесконечно больших расстояний, вследствие чего поверхностная вол­ на не имеет отсечки по частоте [I]. На практике такие волноводы имеют достаточное поверхностное реактивное сопротивление, чтобы обеспечить прохождение 90% или более передаваемой мощности в пределах радиуса поряд­ ка одной длины волны. В результате внешние помехи, находящиеся за этим радиусом, не влияют на беспрепят­ ственное распространение волны. Медный проводник диаметром 2,54 см, покрытый полистиролом (для обеспе­ чения высокого реактивного сопротивления), может пе­ редавать мощность около 100 кет на частоте 10 Ггц при общем затухании 20 дб/км. Такая малая допустимая мощность ограничивается не электрическим пробоем, а повышением температуры волновода, которое делается опасным вследствие очень малого проникновения поля в проводник на этой частоте. Если бы не было этой при­ чины, по волноводу могли бы передаваться мощности по­ рядка нескольких мегаватт.

Подвешивание однопроводных линий на нейлоновых растяжках (фиг. 1), которые прозрачны для волны, очень заманчиво, и можно принять подобную конструкцию с ее кажущейся «запутанностью». Однако исследования пока­ зали, что неэкранированные волноводы, выполненные таким образом, к сожалению, быстро изнашиваются, а также имеют увеличенные потери на излучение и, наобо­ рот, подвержены влиянию внешних электрических помех. В то же время атмосферные осадки вызывают коррозию волновода, на кабель садятся птицы; из-за этих помех вблизи поверхности от линии отводится часть мощности. Более того, возникающие при этом изгибы вдоль такого волновода могут также доставить дополнительные неприят­

ности.

Для того чтобы по линии поверхностной волны можно было передавать мощность без помех от посторонних источников, была предложена экранированная волновод­ ная структура [21. Волновод состоит из коаксиально рас­ положенных проводящих поверхностей, каждая из кото­

рых связана с полем таким образом, что поле в попереч­ ной плоскости частично убывает (фиг. 2). Волна может быть представлена как сдвоенная поверхностная ТЕМ-

Ф и г . 1. У стр о й ство цепной п одвеск и д л я од п о п р о во д н ы х ли н и й п ередачи .

1 — опорный столб; 2 — нейлоновые растяжки; 3 — поперечная план­ ка; 4 —однопроводная линия поверхностной волны; 5 — поддерживаю­ щая проволока.

Ф и г. 2 . Э к р а н и р о в а н н а я п о в ер х н о с тн ая в о л н а, п ол у ч ен н ая в к о ак си ал ьн о й линии .

волна, при этом наличие убывающего поля, примыкаю­ щего к экрану, непосредственно вытекает из граничных условий. В цилиндрических координатах г, 6 и х состав­ ляющие поля в кольцевом пространстве между Двумя

проводящими поверхностями, согласно фиг. 2, в предпо­ ложении малых потерь запишутся в виде

р.0 и е0 — соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости воздушного диэлектрика, а С7 и С" — постоянные коэффициенты, отношение которых может быть найдено из выражения

Таким образом, при радиусе гт продольная составляю­ щая электрического поля падает практически до нуля и положение этой точки зависит от относительных реактив­ ных сопротивлений двух проводящих поверхностей. Ин­ тересно отметить, что сдвоенная поверхностная ТЕМ- волна, по сути дела, является почти нормальным типом волны в коаксиальной линии, но увеличенное поверх­ ностное реактивное сопротивление обеспечивает подчерк­ нутый спад в распределении поля по поперечному сече­ нию. В коаксиальной линии с медными непокрытыми про­ водниками, по которой обычно распространяется ТЕМ-волна, на высоких частотах поверхности провод­ ников имеют одинаковые активные и реактивные состав­ ляющие сопротивлений. Таким образом, условия для существования экранированной поверхностной волны хотя

иесть, но этот эффект очень незначителен. Поверхностные волноводы можно рассматривать как

средство индикации и контроля за движением высоко­ скоростных поездов. Волновод располагается сбоку от железной дороги, и поезд (или проекция его) действует на распространяющуюся волну как помеха, порождая отражение, и, следовательно, позволяет зафиксировать свое положение на экране радара. Более того, мощность