Коасиальные фидеры

Электромагнитное поле коаксиального фидера сосредоточено внутри пространства, образованного замкнутой металлической поверхностью внешнего проводника, и если исключить «затекание» токов на внешнюю поверхность, то антенный эффект фидера исключен. Коаксиальный фидер (рис. 10.2,а) позволяет осуществлять передачу широкого диапазона от сантиметровых до километровых волн при сравнительно малом затухании. Внутренний проводник коаксиального фидера изготовляется трубчатым из меди с толщиной стенок 0,5... 1 мм.- Для передачи малой мощности внутренний проводник выполняют в виде одного или нескольких проводов, внешний проводник может иметь также трубчатую форму. Такой фидер имеет жесткую конструкцию и изготовляется короткими секциями, оканчивающимися фланцами для соединения секций между собой. Положение центрального проводника фиксируется диэлектрическими шайбами. Для уменьшения диэлектрических потерь объем шайб берут по возможности меньшим и используют диэлектрики с малыми потерями. Шайбы увеличивают емкость фидера и, являясь неоднородностями, вызывают некоторое отражение энергии. Для уменьшения отраженной волны, возникающей в фидере за счет шайб, расстояния между соседними шайбами выбирают меньшими 0,5λф. В этом случае неоднородности, обусловленные шайбами, можно считать равномерно распределенными по длине фидера, что приводит к взаимной компенсации отражений.

Рис. 10.2. Сечения несимметричных фидеров:

а — коаксиального; б — концентрического; а — комбинированного

.

Фазовая скорость и длина волны в коаксиальном фидере, заполненном диэлектриком, меньше скорости и длины волны в сво­бодном пространстве и соответственно равны

Vф=с√1+а(е’-1) λф=λ√1+а(е’-1)

Здесь а — коэффициент заполнения фидера диэлектриком, е' — относительная диэлектрическая проницаемость шайб. Волновое сопротивление коаксиального фидера, Ом,

Wф = 138 lg (D/d)√(1+а(e'-1). (10.16)

Погонное сопротивление, обусловленное потерями в меди, om/m,

R1=(l,48/λ)(l/D+l/d), (10.17)

где D u d выражены в миллиметрах; λ — в метрах.

В области низких частот потери в изоляции незначительны и ими можно пренебречь, в диапазоне дециметровых волн эти потери сгановятся соизмеримыми с потерями в металле. Минимальные потери имеет коаксиальный фидер с отношением D/d=3,6.

При напряжении U напряженность электрического поля на поверхности внутреннего проводника E=0,868U/d lg(D/d). На низких частотах максимальная мощность, передаваемая по фидеру, ограничивается его электрической прочностью, а на высших — его нагревом. Максимальную электрическую прочность имеет коаксиальный фидер при отношении D/d=2,7. Электрическую прочность можно повысить за счет заполнения фидера сухим воздухом или азотом под повышенным давлением, применение качественного диэлектрика, являющимся наполнителем между центральной жилой и внешним проводником (экраном) .

С увеличением частоты максимальная мощность, передаваемая по коаксиальному фидеру, уменьшается. Если известна максимально допустимая мощность P1, передаваемая по фидеру на частоте f1, то на частоте f2 приближенно можно принять максимально допустимую мощность

P2=P1√f1 / f2.

Гибкая коаксиальная линия называется кабелем. Коаксиальные кабели на небольшую мощность выполняют со оплошным заполнением (а=1). Волновое сопротивление и длина волны в таком кабеле соответственно равны

Wф=138 lg (D/d) / √e’ λф=λ / √ е’

Гибкие радиочастотные кабели со сплошным заполнением имеют марку, состоящую из двух букв — РК и трех чисел, разделенных дефисом и двумя тире, из которых первое число указывает значение волнового сопротивления, второе — диаметр по изоляции в миллиметрах и третье — двух- или трехзначное, цифра которого указывает материал диэлектрика (1 — полиэти­лен; 2 — политетрафторэтилен; 3 — воздушно-полиэтилен; 4 — воздушно-политетрафторэтилен), последующие — порядковый номер конструкции. В кабеле на большую мощность внутренний проводник обматывают нитью или перфорированной прямоугольной лентой из полиэтилена с шагом навивки, равным одному-двум диаметрам кабеля, на которую накладывается внешний гофрированный проводник из меди или алюминия с внешним защитным покровом. Кабели могут иметь колпачковую (часть шаровой поверхности) конструкцию шайб, которая сочетает гибкость, прочность и малую деформацию, обеспечивающую постоянство параметров.

В табл. приведены некоторые параметры таких кабелей первая цифра которого указывает материал диэлектрика (1 — полиэти­лен; 2 — политетрафторэтилен; 3 — воздушно-полиэтилен; 4 — воздушно-политетрафторэтилен), последующие — порядковый номер конструкции. В кабеле на большую мощность внутренний проводник обматывают нитью или перфорированной прямоугольной лентой из полиэтилена с шагом навивки, равным одному-двум диаметрам кабеля, на которую накладывается внешний гофриро­ванный проводник из меди или алюминия с внешним защитным покровом. Кабели могут иметь колпачковую (часть шаровой поверхности) конструкцию шайб, которая сочетает гибкость, прочность и малую деформацию, обеспечивающую постоянство параметров.

Диаметр	Допустимая мощность, кВт, на частоте, МГц			Затухание, дБ/км, на частоте, МГц
по изоляции,
MM	1,76	13,66	81,36	1 ,76	13,56	81,36
24	60	21	9	2,0	5,6	13,5
33	90	32	13	1,45	4,1	9,8
44	260	95	40	1,15	d,2	7,9
60	380	130	60	0,85	2,4	5,8
78	490	170	70	0,65	1,8	4,4
120	800	290	120	0,43	1,2	2,9

.В диапазонах гектометровых и километровых волн применяются многопроволочные несимметричные концентрические фидеры типа ФК (n1/n2)Wк (рис.6,). Иногда применяют комбинированные фидеры, которые могут работать как симметричные экранированные или несимметричные концентрические с условным обозначением ФЭ (n1 / n2)-(Wс /W к). На рис. 10.2,б показан фидер ФЭ (2/4) (500/225).

Волновое сопротивление концентрического фидера, Ом,

Wк = 138 lg (D √D / n2d2 / d√ n1 d1 / d),

Сопротивление потерь в проводах на единицу длины, Ом/м,

R1 = 1,48 ((1/n1d1) + (1/n2d2))√ λ где d1 b d2 выражены в миллиметрах; λ — в метрах.

ВОЛНОВОДЫ

С увеличением частоты потери энергии в проводниках и диэлектриках коаксиального фидера возрастают и его КПД становится малым. На дециметровых и более коротких волнах в качестве фидеров применяют волноводы прямоугольного, круглого и эллиптического сечений.

В симметричных и несимметричных фидерах поля Е и Н взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения волны (потоку П). Перенос энергии осуществляется поперечной электромагнитной волной или Г-волной. Наличие продольной составляющей поля Е, обусловленное падением напряжения вдоль фидера, характеризует мощность потерь. В волноводах распространяются волны, которые кроме поперечных составляющих имеют и продольную, определяющую тип волны: поперечно-магнитные (E-волны), имеют продольную составляющую вектора Е, и поперечно-электрические (Н-волны), имеющие продольную составляющую вектора Н.

В плоскости поперечного сечения волноводов напряженности полей Е и Н обладают пространственной периодичностью, подобной стоячим волнам в короткозамкнутой линии. Вдоль каждого из двух взаимно перпендикулярных размеров сечения волновода должно укладываться целое число таких полуволн т, п (0, 1, 2, ...). Значения тип одновременно не могут быть равными нулю. Для каждого сечения волновода и типа волны существует критическая длина волны λкр, волны длиннее которой распространяться по волноводу не могут. Фазовая скорость в волноводе, т. е. скорость распространения поверхности равных фаз,

Vф= с/√1-(λ/λкр)².

Г рупповая скорость — скорость переноса энергии вдоль волновода Vrp= с/√1-(λ/λкр)². Фазовая и групповая скорости в волноводе зависят от типа волны, причем фазовая скорость всегда больше, а групповая — меньше скорости с=3.10⁸ м/с.

Длина волны в волноводе

λ= λ / √1-(λ/λкр))

Использование волновода в условиях, когда в нем возможно распространение нескольких типов волн, обычно является нежелательным, так как вследствие различия их фазовых и групповых скоростей возможны искажения передаваемых сигналов.

Поэтому на практике стремятся к тому, чтобы во всем интервале рабочих частот в волноводе мог распространяться только один основной тип волны. Для выполнения этого требования наибольшая допустимая длина волны передаваемых сигналов не должна превышать критическую, а минимальная длина волны должна быть больше чем λкр для ближайшего высшего типа волны. Если же в волноводе могут распространяться волны высших типов, то принимают меры для их подавления.

Основной для прямоугольного волновода является волна типа Н10 (аш один ноль), которая характеризуется изменением амплитуд поля Е по закону sin (nх/а) вдоль оси х и постоянством по оси у (рис.а). Фазовая скорость и длина волны типа H10 в прямоугольном волноводе определяются размером широкой стенки волновода а и соответственно равны:

Vф=с / √ 1- (λ/2а)² λ= λ / √ 1- (λ/2а)²

По прямоугольному волноводу могут распространяться только волны короче λ кр=2а.

Затухание волны Н10 в прямоугольном волноводе, дБ/м,

a = 0,793 (1 + (2b/а) (λ /2а)²) / b√σ λ√1-( λ/2a)²

где b — внутренний размер узкой стенки волновода; σ — проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода. Для меди σ ==5,8-10⁷ См/м.

Реальное затухание в волноводе больше рассчитанного по приведенной формуле в среднем в 1,05 ...1,2 раза. Увеличение затухания обусловлено шероховатостью стенок волновода и их окислением, которые в формуле не учтены. Уменьшение затухания достигается увеличением поперечного сечения волновода и серебрением его внутренней поверхности. Стабилизация затухания во времени обеспечивается специальным антикоррозийным покрытием. Для распространения волны H10 и исключения возможности существования других типов волн внутренние размеры прямоугольных волноводов выбирают из условий:

0,98 λкор ≥а≥0,525 λдл b=(0,3…0,5)

Типы волн в волноводах

Для волны H10 амплитуда напряженности поля в пучности волновода

Е мах=√1510РКбв / ab √ 1-(λ/ λкр)²

Допустимой считается Емакс=10... 15 кВ/см.

Кроме волноводов прямоугольного сечения применяют, круглые волноводы, особенно в случаях, когда на приеме и передаче одновременно используют волны со взаимно перпендикулярными поляризациями. В этом случае улучшается развязка между приемниками и передатчиками за счет поляризационной избирательности антенно-фидерного тракта. Развязка будет эффективной только в том случае, когда отсутствует перекрестная поляризация. Перекрестной поляризацией называется явление, когда за счет поля основной поляризации появляется паразитное поле с поля­ризацией, перпендикулярной основной. Перекрестная поляризация вызывается эллиптичностью волновода, т. е. отличием его сечения от круглого, а также изгибами, вмятинами, небрежным монтажом секций в стыках.

При изготовлении и за счет транспортировки в круглых волноводах всегда имеется некоторая эллиптичность сечения. Биметаллические волноводы из стали с медным покрытием имеют меньшую эллиптичность, чем медные. Установлено, что при совпадении направления вектора Е с одной из осей эллипса поперечного сечения волновода положение плоскости поляризации волны в волноводе не изменяется. Для уменьшения перекрестной поляризации при монтаже стыкуемые секции поворачивают до совпадения осей эллипсов отдельных секций волновода. Для облегчения сборки на волноводных секциях заводы-изготовители ставят метки.

Волна типа Н11 является основной для круглого волновода. Для передачи волны Н11 (аш один один) и невозможности распространения волн высших типов диаметр круглого волновода должен удовлетворять условию

0,586λ.дл < 2r< 0,764 λ кор. (10.27)

Затухание волны H11 в круглом волноводе, дБ/м,

а = 0,793 [0,087 (λ /r)² + 0,43]/r √σ λ √1- 0.087 (λ /r)²

где r — внутренний радиус волновода, м;σ— проводимость металла стенок волновода, См/м; λ — длина волны, м.

Биметаллические волноводы за счет меньшей зеркальности внутренней поверхности имеют затухание на 0,2 дБ/100 м больше по сравнению с медными.

Максимальная напряженность поля в волноводе

E мах=√ 1590 РКбв / π r² √ 1-(λ / λкр)²

Для снижения затухания диаметры волноводов берут больше, чем это определено условием . Например, в диапазоне 3,4... 3,9 ГГц рекомендуется применять волноводы диаметром 70 мм с затуханием 1,4... 1,6 дБ/100 м, а в диапазоне 5,67 ...6,17 ГГц — диаметром 46 мм с затуханием 3...3.5 дБ/100 м. В этом случае кроме основной волны может распространяться волна Еo1. Волновод диаметром 70 мм может применяться и на более высоких частотах (например, в диапазоне 5,67...6,17 ГГц), допуская существование еще большего числа волн высших типов. Для обеспечения распространения лишь основного типа волны высших типов должны быть подавлены специальными фильтрами поглощения.

Основной для эллиптического волновода является волна типа сН. Для диапазона 3,4 ...3,9 ГГц рекомендуется применять эллиптические волноводы с внешними размерами большой оси 76 мм и малой 47 мм, а для диапазона 5,67 ...6,17 ГГц — соответственно 55 и 35 мм. Для увеличения гибкости волноводы гофрируют с шагом гофра 0,12...0,15Лср и глубиной гофра примерно 0,05Хср. При вертикальной подвеске в волноводе возникают осевые усилия, сжимающие малую ось эллипса, причем большие нагрузки могут вызвать необратимые деформации. При заполнении волновода избыточным газовым давлением удлиняется малая ось эллипса. Гибкие волноводы изготовляются большой длины и транспортируются в свернутом виде на барабанах. Эллиптические волноводы применяют в подвижных системах, когда требуются частые развертывания и свертывания линий связи, а также в стационарных установках, особенно на участках, где волноводы изменяют свое направление, например при переходе из вертикального положения в горизонтальное.

Жесткие волноводы изготовляют секциями длиной до 5 м, которые на концах заканчиваются фланцами. Фланцевые соединения должны исключать возможность просачивания энергии из волновода и быть герметичными. Фланцы имеют кольцевые канавки, в которые закладывают уплотняющие прокладки из морозостойкой резины и металлические кольца, уплотняющие резину и устраняющие просачивание энергии из волновода. Недостаточно точное сопряжение волноводов в стыках секций вызывает отражения. Уменьшить отражения можно специальной обработкой концов волноводов и применением калиброванных болтов или шпилек.

. Эллиптический волновод с волной с Н11

Фланцы наружных волноводов должны выдерживать значительные механические нагрузки. С учетом гололеда нагрузка на верхний фланец при длине вертикального волновода 50 м может достигать 1 т.

Медные и латунные волноводы жестко крепятся к телу мачты только в верхней своей части. Материал волновода (латунь) и мачты (сталь) имеют разные коэффициенты линейного расширения. Жесткое закрепление волноводов к мачте в нескольких точках при изменении температуры приведет к деформации волновода. Вертикальные волноводы для устранения поперечных колебаний снабжаются проходными муфтами, устанавливаемыми через 5... 7 м. Промежуточное крепление волноводов осуществляется через 15... 20 м посредством пружинных подвесов. Биметаллические волноводы позволяют производить жесткое крепление по всей длине без пружинных подвесов. Наличие влаги в волноводе увеличивает его затухание. Во избежание этого наружные волноводы герметизируют и содержат под избыточным давлением (0,2 ...0,5)-10' Па или 0,2... 0,5 кгс/см² осушенного воздуха. Для герметизации в нижней и верхней частях волноводов устанавливают герметизирующие вставки. Волноводные тракты могут иметь сложную конфигурацию. Для изменения направления волновода применяют плавные изгибы с большим радиусом, превышающим длину волны при средней длине изгиба, равной целому числу полуволн в волноводе.

9