Лабораторные работы 5 симестр / Распределительные системы / UMP_FVP_2

Волноводы линии поверхностной волны могут быть успешно использованы для наземных линий передачи СВЧ-энергии на расстоянии 1 км .

Для теоретического исследования электромагнитных волн, распространяющихся вдоль однопроводной линии передачи, используем следующую модель.

Рис 3.13. Однопроводная линия передач

Бесконечно протяженный прямолинейный провод покрыт слоем диэлектрика (рис.3.13). Радиус провода — b, радиус провода с покрытием — a, диэлектрическая проницаемость покрытия — ε. Потерями в диэлектрике и проводнике пренебрегаем (tgδ=0, σ= ).

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

2 (рис. 3.14).

Основным типом поверхностной волны, распространяющейся вдоль провода со слоем диэлектрика, является волна с осевой симметрией поля и продольной составляющей электрического вектора E (рис. 3.14б). Вдоль проводников с диэлектрическим покрытием могут распространяться и другие типы волн, аналогичные волнам в диэлектрических волноводах. Однако эти волны не имеют практического значения вследствие большого их затухания.

31

Рис. 3.14. Линия поверхностных волн:

а — поперечное сечение волновода; б — топография электрического поля; в — трассировка линии

В случае волн, имеющих продольную составляющую E (электрические или волны типа E) решение задачи удобно находить, используя электрический вектор Герца, направленный вдоль линии.

Использование данного вектора позволяет свести исходную систему уравнений Максвелла к волновому уравнению, записанному в цилиндрической системе координат:

дух-диэлектрик) и условию излучения на бесконечности. В дальнейшем под средой 1 будем понимать диэлектрик, под средой 2 — воздух. Решение ищем методом разделения переменных, полагая Пe R(r) Z(z) . Для волн, распространяющихся в направлении оси z:

Z( z ) ~ ei z , где γ — постоянная распространения, R(r) должна удовлетворять уравнению Бесселя

Заметим, что γ, имеющая одно и то же значение для областей 1 и 2, не может быть больше k — волнового числа диэлектрика и должна превышать k0 — волновое число свободного пространства, т.е.

k < γ < k0.

Отсюда для разных подобластей рассматриваемой системы будем иметь решения, выражаемые в одном случае через цилиндрические функции действительного аргумента J0 и N0, в другом случае — через функции мнимого аргумента I0 и K0 :

двух разных областей будут иметь вид:

34

0,148 и определить относительную фазовую скорость волны в ЛПВ ф / с 0,989 , которая указывает на незначительное замедление.

Волновое сопротивление рассматриваемой ЛПВ, согласно (3.49), равно Z 188 Ом , что позволяет вычислить по (3.46), (3.47)

п д 3,5 дБ / км и он может быть доведен до 1 дБ / км при

увеличении диаметра проводника 2b до 6 см . Таким образом, ЛПВ пригодна для передачи СВЧ-мощности на километровые расстояния.

Трасса прокладки ЛПВ должна быть свободна от посторонних поглощающих и отражающих предметов, в том числе удалена от поверхности Земли на расстояние

являющееся радиусом цилиндра, в котором распространяется 95% передаваемой мощности, причем в рассмотренном выше случае

и r0 0,37 м. Практическая ЛПВ может быть проложена на опорах с помощью тефлоновых подвесов, длина которых обеспечивает расстояние линии от перекладины опоры не менее r0 , а

длина перекладины соответствует расстоянию линии от опоры r0 .

При возможности свободное пространство вокруг ЛПВ должно иметь радиус r0 2r0 1м, соответствующий кругу, в котором сконцен-

трировано более 99% передаваемой мощности.

Максимально допустимая мощность, передаваемая ЛПВ, определяется пробивной напряженностью воздуха, окружающего слой диэлектрика, и равна [20]

38

Открытая поверхностная волна ЛПВ, заключенная внутри цилиндра радиусом r0 , может быть частично перехвачена приемной антенной и использована для технологических и транспортных целей.

3.10 Полосковые линии передачи

За последние десятилетия в технику СВЧ прочно вошли интересные линии передачи с волнами ТЕМ, носящие название полосковых линий передачи [4]. Полосковая линия передачи энергии — это линия передачи, содержащая токопроводящие элементы в виде одной или нескольких металлических полосок, нанесенных на диэлектрике, лежащем на металлическом экране [7,20]. Полосковые линии передачи бывают симметричные и несимметричные. Применяются в микроминиатюрных сверхвысокочастотных устройствах.

В качестве примера на рис. 3.15 изображено сечение так называемой несимметричной полосковой линии, чаще всего применяемой в радиотехнике. Особенностью линии является то, что ее нижняя полоска выполняется гораздо шире верхней, образуя «заземленную плоскость».

Рис 3.15. Несимметричная полосковая линия

39

На рис. 3.16 показана структура полосковых линий: симметричная (рис. 3.16а) и несимметричная (рис. 3.16б) [20].

Рис. 3.16 Симметричная и несимметричная полосковая линия: t — толщина проводника, W — ширина проводника, W/ — шири-

на основания, h — толщина диэлектрика, b — толщина диэлектрика в симметричной полосковой линии.

Чаще всего металлические полоски наносят на диэлектрик методом планарной технологии (фотолитография, напыление и др.).

Строгая теория несимметричной полосковой линии весьма сложна. В частности, удается показать, что электромагнитное поле

втакой системе имеет все шесть декартовых составляющих и поэтому считать данную волну принадлежащей к классу волн ТЕМ можно лишь условно. Однако на практике, как правило, реальные линии характеризуются расстояниями между проводниками, значительно меньшими, чем ширина верхней полоски. В силу этого электрическое поле в системе весьма близко к статическому полю

вплоском конденсаторе, которое, без учета краевых эффектов, можно считать однородным. Указанные предположения позволяют достаточно просто найти величину волнового сопротивления несимметричной полосковой линии.

Предположим, что амплитуда переменного напряжения между проводниками равна U. Тогда, очевидно,

40