Часть 2 линии передач и их элементы

5 Линии передач. Резонаторы

5.1 Определения

Линия передачи (line of transmission, feeder) – устройство для передачи электромагнитной энергии в продольном направлении с минимальными потерями.

Следуют различать регулярные (однородные) линии как средство передачи (канализации) энергии и линии передач, как звенья в схеме соединения передатчика и антенны, антенны и приемника, двух волноведущих устройств и др., т.е. как линии, работающие с определенными оконечными нагрузками.

Регулярная линия передачи представляет собой прямолинейный участок линии с одинаковыми геометрическими и электрическими параметрами вдоль продольной оси устройства.

Неоднородная линия может иметь меняющиеся вдоль продольной координаты параметры или иметь в некоторых сечениях сосредоточенные или распределенные сопротивления (проводимости).

Линии передач могут отличаться друг от друга по электрическим и конструктивным характеристикам.

5.2 Электрические характеристики регулярных линий

Независимо от конструктивной реализации линия передачи может характеризоваться определенным набором электрических характеристик. Обобщенная линия передачи изображена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Модель обобщенной линии передачи

Электромагнитная энергия может передаваться как внутри объёма с поперечным сечением S, так и во внешней области вдоль образующих линии.

Можно сформулировать общие требования к линиям:

- достаточно высокий КПД передачи электромагнитной энергии (минимальные омические потери);

- характеристики линии должны обеспечивать передачу заданной мощности без электрических пробоев;

- линия передачи не должна обладать антенным эффектом, т.е. излучать электромагнитную энергию;

- в рабочей полосе частот линия должна обладать минимальной дисперсией;

- массогабаритные характеристики линии должны быть, возможно, минимальными.

Отметим общие электрические характеристики линий передач.

Тип колебаний (мода). Передача высокочастотной мощности может производиться вдоль линии с помощью электромагнитного поля определенной конфигурации. В качестве одного из возможных признаков классификации типов колебаний выбирается факт отсутствия (наличия) продольных составляющих напряженностей электрического и магнитного полей () при наличии поперечных составляющих. В соответствии с этой классификацией возможны следующие типы колебаний:

1. поперечные ЭМВ или волны типа Т (, );

2. поперечные электрические волны ТЕ (Н) ( , );

3. поперечные магнитные волны ТМ (Е) ( , );

4. смешанные (гибридные) типы волн (,).

Коэффициент распространения. В линии передачи комплексные напряженности электрического и магнитного полей, переносящих мощность вдоль оси 0z (рисунок 5.1), могут зависеть от координат следующим образом:

(5.1)

где комплексная величина называется коэффициентом распространения.

Волны, бегущие в направлении отрицательных значений координаты z имеют в качестве сомножителей .

Как и в случае плоской электромагнитной волны, здесь – коэффициент фазы ( – длина волны в линии), – коэффициент ослабления (затухания). и имеют тот же физический смысл, что и аналогичные характеристики, для случая плоской электромагнитной волны.

В формуле (5.1) коэффициент затухания измеряется в Неперах на метр. В технических расчетах часто используют логарифмическую единицу – погонное затухание – ∆_пог, которая измеряется в децибелах на метр и определяется по формуле .

Характеристическое сопротивление. Этот параметр линии и типа колебаний определяется как отношение составляющих векторов E и H в поперечном сечении линии:

(5.2)

где – характеристическое сопротивление среды, заполняющей линию, – безразмерная функция, зависящая от вида поперечного сечения линии.

Заметим, что в линии могут распространяться несколько типов колебаний, отличающихся структурой поля и частотными зависимостями. Тип колебаний, который может распространяться в линии заданных размеров с минимальной частотой (максимальной длиной волны) называется основным или фундаментальным. Все последующие типы колебаний называются высшими.

По совокупности электрических и массогабаритных параметров линии передачи практически используются в определенных или смежных диапазонах частот. Например, волноводные линии передачи – в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн.

Рассмотрим наиболее употребительные типы линии передачи и их характеристики.