Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Витебский государственный университет им. П. М. Машерова

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Романов, Стальмакова

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

14.04.2015

Размер:

1.1 Mб

Скачать

☆

1 / 41 2 3 4 > Следующая >>>

1)Типы линий передачи энергии, их основные параметры. Дисперсионные свойства линий передачи.

Основные типы линий передачи:

•1– двухпроводная линия;

•	2	–	двухпроводная экранированная линия;
			1	2
•	3	–	коаксиальная линия;	2
•	3	–	коаксиальная линия;

кГц

•4 – полосковая линия;

•5,6 – круглый и прямоугольный полые волноводы;

•7 – оптоволоконная линия передачи

Основные параметры:

3		5	7
3		5	f
			f
МГц	4	ГГц	ТГц
	4

•Тип волны. Передача мощности может производиться вдоль линии с помощью электромагнитного поля определенной конфигурации, представленной далее классификацией направляемых волн(поперечные волны или волны типа Т,

волны типа Н, волны типа Е, смешанные (гибридные ) типы волн ЕН и НЕ ).

•Постоянная распространения.

	дБ		Неп
α		= 8,68α

	м		м

Коэффициент затухания измеряется в Неперах на метр. В технических расчетах часто используют логарифмическую единицу - погонное затухание, измеряется в децибелах

•Характеристическое сопротивление. Этот параметр типа волны определяется как

отношение составляющих вектора поля E и H в поперечном сечении линии

				R
				R
				&
Z		=		E
	c

				R
			&
				H

•Волновое сопротивление линии – характеристика, используемая при решении проблем согласования линий с устройствами СВЧ и другими линиями.

Определяется как отношение напряжения к току в линии в режиме бегущей волны.

В некоторых линиях эти напряжения и токи легко измерить, для других эти параметры достаточно абстрактны. Волновое сопротивление зависит от размеров линии и параметров диэлектрического заполнения.

•Фазовая скорость – связана с постоянной распространения. Определяет скорость перемещения фазового фронта вдоль линии.

•Длина волны в линии также связана с постоянной распространения.

•Диапазон рабочих частот – диапазон частот, в котором линия обеспечивает требуемые технические характеристики.

•Критическая частота – частота, начиная с которой начинает распространяться волна с заданным типом колебаний. Основная волна имеет низшую критическую частоту.

•Предельная мощность – мощность немного ниже мощности электрического

пробоя. Коэффициент запаса определяется при ее проектировании. Может быть ограничена как тепловым, так и электрическим пробоем.

Закон зависимости длины волны в линии передачи от длины волны в безграничной свободной среде называют дисперсионной характеристикой линии передачи.

2π

νф

фΛ

кр

1−

λкр

зависимость фазовой скорости от частоты – дисперсия

2) Классификация направляемых волн: Н, Е, Т и гибридные волны. Условие распространения направляемых волн в линиях передачи. Длина волны, фазовая и групповая скорости, сопротивление волн, зависимость параметров от частоты.Концепция парциальных волн.

По структуре поля направляемые волны делятся на поперечные, электрические,

магнитные и гибридные.

1.Поперечными волнами, или Т-волнами (Т – первая буква английского слова transverse, что означает поперечный) называются волны, у которых векторы поля

E и H перпендикулярны направлению распространения волн, то есть не имеют

продольных составляющих. Для этой волны также используется термин TEM-

волна.

2.Электрическими волнами, или E-волнами, называются волны, у которых вектор E

имеет как поперечные, так и продольную составляющие, а вектор H имеет только поперечные составляющие, а продольная составляющая равна нулю. E-волны иногда называют поперечными магнитными или TM-волнами.

3.Магнитными волнами, или H-волнами, называются волны, у которых вектор H

имеет как поперечные, так и продольную составляющие, а вектор E имеет только поперечные составляющие, а продольная составляющая равна нулю. H-волны

называют еще поперечными электрическими волнами или TE-волнами.

Таким образом, электрические, магнитные и гибридные волны могут распространяться только на частотах, превышающих критическую частоту. Значение fкр

зависит от формы и размеров поперечного сечения линии и от типа направляемой волны.

Для поперечных T волн κ = 0 , отсюда λкр = ∞ и fкр = 0 , эти направляемые волны

не имеют частотного ограничения и могут распространяться вдоль линий на любых частотах.

β = κ2 −κ2

Длина волны в безграничной среде

λ =	2π	=	1	=	νф
						.	(1.24)
	κ
			ω εaμa		f

Длина направляемой волны в линии передачи

= 2π =

2π

(1.25)

кр

1−

λкр

Фазовая скорость распространения волны в безграничной среде без потерь равна

= ω =

(1.26)

εμ

Направляемая волна распространяется внутри линии передачи с фазовой скоростью

νф

фΛ

кр

1−

гр.Λ

= ν

1−

-групповая скорость

ωε

Для волны, свободно распространяющейся в безграничной среде без потерь,

сопротивление вычисляется по известной формуле

μa

=120π

(1.32)

εa

Характеристические сопротивления электрических и магнитных волн вычисляются

по формулам

Z H = ωμa = c β

Z E =

= Z

1−

ωε

кр

1−

кр

(1.33)

Для поперечных T направляемых волн поперечное волновое число равно нулю κ = 0 , следовательно, λкр = ∞ и fкр = 0 .

концепция парциальных волн:

Согласно этой концепции электрические, магнитные и гибридные волны могут быть представлены в виде суперпозиции (суммы) парциальных T - волн, распространяющихся под некоторым углом к оси линии передачи (оси Z ).

λΛ =

фΛ

λΛ

νф

cos φ = 1−

cos φ

T cos φ

cos φ

кр

3)Мощность, переносимая направляемой волной вдоль линии передачи.Электрическая прочность линии передачи. Предельная и допустимая мощности

Средний за период колебаний поток мощности, переносимый направляемой волной,

определяется как поток продольной составляющей вектора Пойнтинга через поперечное сечение S линии передачи

Pср = ∫

Пz.срdS = ∫ Re ПzdS .

(1.39)

Продольная составляющая

комплексного

вектора Пойнтинга вычисляется

через

поперечные составляющие E

и H

Пz

, H

] .

Pср =

∫

dS -средняя мощность, где

= Emax f

(q1, q2 )

Emax –

максимальная амплитуда напряженности электрического поля в линии передачи;

f (q1, q2 ) –

безразмерная функция, зависящая только от поперечных координат q1, q2 и

определяющая структуру электрического поля в поперечном сечении линии.

Представление (1.42) используем в записи мощности, переносимой волной в линии

передачи

Pср =

Emax

∫ f

(q1,q2)dS

EmaxS N ,

(1.43)

где N < 1 – безразмерный параметр, учитывающий неравномерность распределения амплитуды электрического поля по поперечным координатам.

Предельной называют мощность, при которой возникает либо электрический, либо тепловой пробой в режиме бегущей волны. При электрическом пробое

P	=	1	1		E2	S	N .
				Λ
пред	2				проб
				Zc

Допустимую мощность принимают в несколько раз меньше предельной, что связано в основном с появлением отраженных волн в реальных линиях

Pдоп = (0, 2...0,3)Рпред .

4)Прямоугольный металлический волновод. Поля магнитных и электрических волн в прямоугольном волноводе. Основной и высшие типы волн. Вырожденные волны. Область применения прямоугольных волноводов.

λкрmn > λ или fкрmn < f ,

где λкрmn – критическая длина волны данного типа колебания;

fкрmn = c(λкрmn ем ) – критическая частота;

f = c/ λ0 – частота генератора;

λ = λ0 εμ – длина волны в cреде с параметрами заполняющего волновод

материала;

λ0 – длина волны в вакууме.

Критическая длина волны				,
mn				2
λкр	=

		(	m	)2 + (	n	)2
		(	a	)2 + (		)2
			a		b

где a и b – размеры поперечного сечения волновода по широкой и узкой стенкам. При одинаковых индексах m и n выполняется равенство

лкрHmn = л крEmn ,

аволны Hmn и Emn называются вырожденными. Следует учесть, что волны H00 , E00 ,

E0m и Em0 не существуют. λкр.H10 = 2a

Электромагнитное поле распространяющейся волны Hmn имеет компоненты:

∙

mπ

nπ

ye− jβmn z ,

H z = H 0mn cos

x cos

∙

mπ

nπ

ye− jβmnz

H x = j H mn

sin

x cos

mn 2

∙

nπ

mπ

nπ

ye− jβ

H y = j H mn0

cos

x sin

∙

E x = Z Hmn H y , E y = −Z Hmn H x , E z = 0 ,

Электромагнитное поле распространяющейся волны Emn имеет компоненты:

∙

mπ

nπ

ye− jβmn z ,

E z = E mn0 sin

x sin

∙

mπ

nπ

ye− jβmnz ,

E x = − j E mn0

cos

x sin

∙

nπ

mπ

nπ

ye− jβmnz ,

E y = − jE mn0

sin

x cos

∙

H x = −E y Z Emn ,

H y = E y Z mnE , H z = 0 ,

h =

2π

−

λкр.H

-продольное волновое число

λв =

λ0

1 −

λ0

λкр.H

При уменьшении λ0 в волноводе могут распространяться высшие типы колебаний (высшие «моды»).

Ближайшими к основному типу колебания Н10 являются высшие типы колебаний Н20

( лкр.H20 = a ) и Н01 ( λкр.H01 = 2b ).

В технике СВЧ для направленной передачи большой мощности чаще всего применяются прямоугольные волноводы. Преимущественное применение прямоугольных волноводов определяется положительными свойствами волны H10, среди которых:

устойчивость плоскости поляризации;

отсутствие высших типов волн в широком диапазоне частот;

независимость критической частоты от одного из размеров, (высоты волновода);

малое затухание из-за потерь в стенках волновода;

высокая электрическая прочность.

Для периодических функций распределения амплитуд индекс m определяет число полупериодов, укладывающихся вдоль широкой стенки волновода. Аналогично индекс n определяет число полупериодов, укладывающихся вдоль узкой стенки волновода.

5)Основная волна в прямоугольном волноводе (частотный диапазон в одномодовом режиме, поле бегущей волны, поляризация, картина силовых линий векторов поля и вектора поверхностной плотности тока, переносимая мощность, затухание).

Волна Н10 называется основным типом колебаний для прямоугольного волновода. Это означает, что с помощью этого типа колебаний передаются сигналы с наибольшей длиной волны для фиксированных размеров поперечного сечения волновода а и b (a>b).

λкр.H10 = 2a

Структура силовых линий векторов электромагнитного поля волны Н10 приведена

на рис. 2.2, 2.3 в 2-х проекциях.

		x
	y	a
	y
b
	x	z
0	a	0
	a	y
		y

Рис. 2.2.	Прямоугольный волновод с волной H10
Сплошные линии –	силовые линии вектора Е, штриховые –		вектора Н.
		Режим бегущей волны
		x
y		a
y
b
		x	z
0	a	0
	a	y
		y

Рис. 2.3. Прямоугольный волновод с волной H10

Сплошные линии – силовые линии вектора Е, штриховые – вектора Н.

Режим стоячей волны

Приведем выражения, описывающие пространственную зависимость комплексных

амплитуд декартовых проекций векторов электромагнитного поля для волны типа Н10:

&		πx	− jhz	,
Ey	= Emax sin	e		,
		a

&	= −	h		πx	− jhz	,	(2.2)
H x	= −	ωμ0	Emax sin	e		,	(2.2)
		ωμ0		a

&	= j	π		πx	− jhz	.
H z	= j	ωμ0a	Emax cos	e		.
		ωμ0a		a

Диапазон частот, при котором в волноводе может распространяться только основная волна Н10, задается неравенством:

H20

, если

b < a / 2

кр

εμ а

H10

< f <

кр

fкрH01 =

, если

а / 2 < b < a.

εμ 2b

R	R	UUR
j
	= n, H
s			τ

В стенках волновода могут быть прорезаны щели различных ориентаций и положений. Щели, которые пересекаются линиями поверхностного тока, излучают электромагнитное поле и могут быть использованы для создания щелевых волноводных антенн. Неизлучающие щели располагаются вдоль линий поверхностного и используются для экспериментального исследования поля в волноводе. На рис. 5 показаны некоторые излучающие и неизлучающие щели в короткозамкнутом волноводе, работающем на волне

Н10.

В реальном волноводе электромагнитная волна испытывает затухание, расходуя энергию на нагрев стенок и диэлектрика, заполняющего волновод. Средняя за период мощность, переносимая бегущей волной вдоль волновода с потерями, изменяется по закону:

P(z) = P0exp(-2αz),

где P0 –

средняя мощность при z = 0;

б = бмет + бдиэл

Для волны Н10 в прямоугольном волноводе:

1 +

2b λ

Неп

б =

tg (д)

αмет

a 2 a

377λσ

диэл

1 −

2 a

Pср = ∫dx∫Пср(x, y)dy =

max

1 −

0 . -мощность

480π

Emax2

1 − λ0

уд

480π

Погонное затухание волновода с воздушным заполнением

				+	2b λ			2
		0,793 1						0
		0,793 1						0
					a 2a
пог	=								,

						λ		2


			λ0σ
			λ0σ	1 −			0
						2a

Анализ формулы показывает, что потери возрастают, во-первых, при λ0 → 2a = λкр за счет увеличения скорости колебаний между боковыми стенками

волновода, во-вторых, при укорочении λ0 за счет уменьшения скин-слоя и увеличения поверхностного сопротивления стенок волновода.

Поляризацией электромагнитной волны называют изменения величины и ориентации

векторов E и H в фиксированной точке пространства в течение периода колебания волны.

−2

cosψ =sin

С помощью выражений (1) можно показать, что правая поляризация получается, когда sin ψ > 0 , а левая поляризация – когда sin ψ < 0 .

1.Линейная поляризация. Если составляющие Ex и Ey синфазны (ψ = 0) или

противофазны (ψ = + 1800), то эллипс вырождается в прямую линию (r = 0). Угол наклона этой линии можно подсчитать по формуле (4).

2.Круговая поляризация. Если составляющие Ex и Ey имеют равные

амплитуды Emx = Emy и сдвиг фаз ψ = ± π2 , то согласно выражению (3), годограф

будет иметь вид окружности, и, как это следует из выражения (5), коэффициент эллиптичности r = ±1.

ψ = 2π l − 2π l -сдвиг фаз λ10в λ01в

При сдвиге ψ = 2πn поляризация на выходе квадратного волновода остается линейной вертикальной, а при ψ = π(2n −1) поляризация становится линейной горизонтальной.

При сдвиге фаз ψ = ± π2 поляризация будет круговой правого или левого вращения.

1 / 41 2 3 4 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке Литература ч.1

#
14.04.20153.18 Mб263Введение в радиооптику.pdf
#
14.04.20156.53 Mб166История техники связи.pdf
#
14.04.2015204.34 Кб44односвязные злп.pptx
#
14.04.20151.77 Mб117Оптические системы передачи (Дмитриев А.Л., 2007).pdf
#
14.04.20151.19 Mб58Радиооптика. Сборник лабораторных работ.pdf
#
14.04.20151.1 Mб55Романов, Стальмакова.pdf