Лабораторные работы 5 симестр / Распределительные системы / UMP_FVP_2

Ey Ud e i z ,

(3.52)

H x 120U d e i z

откуда интегрированием по площадке сечением S, в пределах которой сконцентрировано практически все поле по формуле (3.25), получим величину переносимой мощности [20]:

Большим преимуществом полосковых линий передачи по сравнению с рассмотренными ранее системами является возможность массового изготовления их при помощи технологии печатных схем. Это приобретает особое значение в связи с наметившейся в последнее время тенденцией к микроминиатюризации устройств СВЧ.

Полосковые линии применяются в диапазоне частот 0 f 100 ГГц . Предельная передаваемая мощность зависит от ре-

жима работы: в непрерывном режиме – несколько десятков ватт, в импульсном – несколько кВт.

Полосковые линии широко применяются на практике. К достоинствам таких линий передачи энергии относятся следующие:

широкополосность;

малые габаритные размеры;

незначительная масса;

возможность применения монтажа;

легко осуществить автоматизацию процесса;

малая стоимость изготовления.

Вобщем случае, в полосковых линиях передачи можно возбудить большое количество волн различных типов. Возбуждение типа волны зависит от конструкции устройства возбуждения, наличие неоднородностей, потерь, конструкции самой линии.

Металлический экран полосковой линии выполняют часто в виде прямоугольника с размерами a x b, где a — ширина, b — высота. Причем, чтобы исключить возбуждение низших типов волн, необхо-

41

димо соблюдать соотношения a 2в , b 2в , где в — длина волны

вволноводе (линии).

Вструктуре поля значительно преобладание ТЕМ-волны. Волновое сопротивление для ТЕМ-волны определяется [20]

тивная диэлектрическая проницаемость.

Реально волновое сопротивление принимает значения

Zв 25 100 Ом .

Эффективная диэлектрическая проницаемость определяется для ТЕМ-волны экспериментально и вычисляется по формуле

в полосковой линии.

Коэффициент затухания, учитывающий потери в диэлектрике, а также потери, связанные с излучением, определяют, как правило, экспериментально.

42

3.11 Распространение электромагнитных волн в линиях передачи конечной длины

Измерительная линия — устройство для исследования распределения электрического поля вдоль СВЧ-линии передачи. Представляет собой отрезок коаксиальной линии или волновода с перемещающимся вдоль него индикатором, отмечающим узлы (пучности) электрического поля [7].

Пусть отрезок регулярной линии передачи включен между источником электромагнитных колебаний (генератором) и оконечным устройством, которое в дальнейшем будем называть нагрузкой (рис. 3.17). Предположим, что линия работает в одноволновом режиме.

Рис. 3.17. Блок схема измерительной линии

Обрыв линии передачи и включение нагрузки в общем случае эквивалентны изменению граничных условий. В результате на конце линии образуется новая, соответствующая изменившимся граничным условиям структура электрических и магнитных полей, что в свою очередь, влечет за собой изменение структуры полей во всей линии. Это изменение можно трактовать как появление в линии, кроме основной волны, бегущей к нагрузке (падающая волна), дополнительной волны, распространяющейся от конца линии к ее началу (отраженная волна), которая и является причиной изменения структуры полей в линии. Рассмотрим подробнее структуры отраженной волны.

В однородных линиях передачи может существовать бесконечное число типов волн, отличающихся друг от друга структурой полей в поперечном сечении. Очевидно, что сколь угодно сложная по структуре отраженная электромагнитная волна, образовавшаяся после подключения нагрузки, должна быть суперпозицией этих волн. Однако при одновременном режиме амплитуда волн всех типов, кроме низшего, экспоненциально убывает по мере удаления от места возбу-

43

ждения. Поэтому на достаточно большом расстоянии от нагрузки (обычно порядка нескольких длин волн) структура поля отраженной волны в плоскости поперечного сечения линии практически не отличаются от структуры волны низшего типа.

Если в месте включения нагрузки образуется такая структура поля, что в состав отраженной волны не входит волна низшего типа, то на достаточно большом расстоянии от нагрузки вообще не обнаружим отраженной волны. Из закона сохранения энергии вытекает, что вся энергия падающей волны поглощается в нагрузке, т.к. сама линия передач предполагается без потерь. Говорят, что в этом случае линия идеально согласована с нагрузкой либо, что линия работает в режиме бегущей волны.

3.12 Коэффициент отражения. Коэффициент бегущей волны. Коэффициент стоячей волны.

Падающая и отраженная волны в линии на достаточном удалении от места включения нагрузки являются волнами одного типа, по-

.

этому безразмерный коэффициент pE , вводимый равенством:

является только функцией координаты z и носит название коэффици-

. .

ента отражения электрического поля. Здесь E пад ( Е отр ) комплекс-

ная амплитуда напряженности электрического поля падающей (отраженной) волны.

Совместим начало системы координат (z=0) c тем сечением линии, где нарушается ее регулярность, полагая, что положительным значениям z соответствует перемещение от конца линии к ее началу (рис. 3.17). Если принять фазу падающей волны нулевой в точке z=0, то

где E пад ( Е отр ) амплитуда напряженности электрического поля

падающей (отраженной) волны в произвольном сечение z. Подставляя (3.58) в (3.57), находим:

включена нагрузка. Величина p н называется коэффициентом отра-

жения от нагрузки. Коэффициент отражения можно также ввести по напряженности магнитного поля с помощью равенств:

дающая и отраженная волны имеют взаимопротивоположное направление распространения. Далее ниже под коэффициентом отражения

.

будет пониматься величина pE . Поэтому для упрощения записи

нижний индекс будем опускать.

Полная напряженность поперечных составляющих электрического и магнитного полей в некотором сечении линии передачи есть алгебраическая сумма поперечных составляющих электрического и магнитного полей падающей и отраженной волн.

На рис. 3.18 представлена зависимость от координаты z нормированных по отношению к падающей волне амплитуд величин E и

H , равных согласно (3.62), (3.63), (3.59) и (3.60):

Рис. 3.18. Зависимость нормированных амплитуд величин E и H от координаты z

46

Отношение минимального значения амплитуды электрического (или магнитного) поля к максимальному значению амплитуды того же поля (рис. 3.18) называют коэффициентом бегущей волны ( К БВ ):

КСВН .

3.13 Нормированное эквивалентное сопротивление линии передачи. Нормированное сопротивление нагрузки

. .

Отношение напряжения U к I — току в произвольном сечении длинной линии равно эквивалентному сопротивлению линии в этом сечении:

где

48

сопротивлением произвольной линии передачи назовем безразмерную величину:

В режиме бегущей волны ( E ) нормированное сопротивление

произвольной линии, как следует из формулы (3.76), равно единице. Во всех сечениях линии, где амплитуда напряженности электрического поля максимальна и минимальна, линия имеет чисто активное сопротивление и равно:

Об изменении нагрузки на конце линии можно судить по изменению модуля и фазы комплексного коэффициента отражения. Это позволяет сопоставить с помощью формулы (3.79) каждому значению коэффициента отражения в линии некоторое нормированное эквивалентное сопротивление на конце линии передачи, которое естественно назвать сопротивлением нагрузки. Т.к. предполагается, что нагрузка расположена в сечении z=0, то из (3.79) получаем:

3.14Круговая диаграмма полных сопротивлений

Круговая диаграмма полных сопротивлений, изображенная на рисунке (3.19), является графическим аналогом формулы (3.79). Чтобы убедиться в этом, перепишем равенство (3.79) в виде