§3.1. Классификация линий передачи и их основные характеристики

Линии передачи служат для направления энергии электромагнитной волны от источника (генератора СВЧ энергии) к потребителю, например, от передатчика к антенне, от приемной антенны к входу приемника и т.д. Линии передачи называют также направляющими системами, а электромагнитные волны, распространяющиеся по ним, - направляемыми, в отличие от свободно распространяющихся в пространстве волн.

На рис.3.1 изображены наиболее часто применяемые на практике линии передачи: коаксиальная (а), двухпроводная (б), полосковая (в), микрополосковая (г) и щелевая линии (д), а также копланарный волновод (е), волноводы прямоугольной (к), круглой (з), П- и Н-образной форм (и, к), круглый открытый диэлектрический волновод (л).

Линии передачи можно разделить на два больших класса: открытые линии (б - е, л) и закрытые, или экранированные линии (а, ж - к). В закрытых линиях энергия волны сосредоточена в пространстве, ограниченном металлической оболочкой. В открытых линиях почти вся энергия сосредоточена в непосредственной близости от направляющих проводников или границы раздела сред. Открытые линии подвержены влиянию внешних факторов и, в частности, климатических условий.

По характеру направляемых волн различают линии передачи:

1) с TEM-волной (рис.3.1 а, б, в), которая имеет только поперечные компоненты

2. Линии с волноводными E(TH)- или H(TE)-волнами (рис.3.1,ж,з), - электрические волны (E-волны); - магнитные волны (H-волны). Волны E- или H-типа распространяются в полых волноводах или в волноводах полностью заполненных однородным диэлектриком.

3. Линии с гибридными или смешанными волнами: либо , где - волновое сопротивление среды. Такие волны могут существовать, например, в волноводах, частично заполненных по сечению диэлектриком.

Рассмотрим основные технические характеристики линии передачи.

Рабочий диапазон частот (диапазонность) - интервал частот, в котором происходит передача электромагнитной энергии с допустимыми потерями без возникновения высших (нерабочих) типов волн. Этот диапазон называется полосой одноволнового режима.

КПД и вносимые потери. Для оценки эффективности линии передачи вводятся коэффициенты передачи по мощности и напряжению .

,

где - КПД линии передачи, равный отношению мощности в нагрузке к мощности на входе линии передачи; - коэффициент отражения по мощности. Если линия согласована , то коэффициент передачи совпадает с КПД, который в этом случае принимает максимальное значение:

,

где l - длина линии передачи; - коэффициент затухания по полю ( - коэффициент затухания по мощности).

Вносимое затухание вызывают следующие виды потерь:

• джоулевы потери в металлических проводниках линии;

• диэлектрические потери при наличии диэлектрика в линии;

• потери на излучение (в случае открытой линии, а также при условии не плотного сочленения волноводов);

• потери, связанные с преобразованием одного типа волны в другой, которые проявляются в сравнительно протяженной линии передачи, где в качестве рабочей волны выбрана волна высшего типа (а не основная волна);

• поляризационные потери, обусловленные, например, одновременным распространением двух ортогонально поляризованных волн.

Под электрической прочностью линии передачи понимают допустимый уровень мощности , переносимой рабочей волной. Обычно , где - предельная мощность, соответствующая мощности, передаваемой по линии передачи в режиме чисто бегущей волны, при которой в какой-либо точке поперечного сечения линии напряженность электрического поля достигает пробивного (предельного) значения ; - коэффициент запаса электрической прочности, . Он учитывает местные неоднородности, увеличивающие концентрацию электрического поля в линии, а также наличие отраженных волн и ряда факторов, влияющих на . К последним относятся: климатические факторы (давление и температура газа, заполняющего линию передачи), состояние ионизации, скважность передаваемых импульсов, порядок несущей частоты и др.

Габариты и вес чрезвычайно важные характеристики при проектировании линий передачи, особенно линий, используемых в бортовых устройствах, а также в микроэлектронике.

Технические требования, предъявляемые к линиям передачи

1. обеспечивать передачу энергии в заданном диапазоне частот на каком-либо одном типе волны;

2. иметь по возможности максимальный коэффициент передачи (обычно не ниже 0.7);

3. обладать достаточной электрической прочностью, обеспечивающей надежную передачу требуемой мощности без искрений, пробоя, а также без перегрева изоляторов или других элементов тракта;

4) иметь по возможности минимальные габариты, вес, надежное сочленение отдельных участков высокочастотного тракта, удобную сборку и демонтаж, а также простую и технологичную конструкцию.