Линии передачи с волной типа Т

 

Электромагнитные поля волн типа Т не имеют продольных составляющих, силовые линии полей лежат полностью в плоскости поперечного сечения.

Двухпроводная открытая линия. (рис.1.2.а) изготовляется из двух проводов радиуса r, расположенных на расстоянии d друг от друга. В качестве проводов для двухпроводной линии используют сплошной проводник диаметром 2-6 мм из меди, бронзы, алюминия и др.

Рис.1.2 Поперечные сечения линий передачи с волной типа Т:

а – двухпроводная открытая линия; б – двухпроводная экранированная линия; в – четырехпроводная открытая линия; г – симметричная полосковая линия; д – коаксиальная линия; е – несимметричная полосковая линия.

 

К достоинствам двухпроводных открытых линий относятся простота конструкции и легкость сооружения, а к недостаткам – наличие излучения энергии, интенсивность которого возрастает с ростом частоты и трудность получения низких значений волнового сопротивления. Для понижения волнового сопротивления используются четырехпроводная конструкция (рис.1.2.в).

Двухпроводная экранированная линия. Состоит из двух проводов, симметрично расположенных внутри цилиндрической металлической оболочки – экрана. Потери на излучение в экранированной линии отсутствуют, однако возникают дополнительные потери в металле экрана и диэлектрике, что ограничивает ее применение.

Коаксиальная линия выполняется в виде жесткой линии или гибкого кабеля.

В жесткой линии используются латунные или медные трубки, крепление центрального проводника в которых осуществляется с помощью диэлектрических опорных шайб или четвертьволновых изоляторов (рис.1.3).

 

Рис.1.3 Крепление проводов в коаксиальной линии:

а – с помощью шайб; б – четвертьволновый изолятор.

 

В гибкой линии внутренний провод представляет собой медную жилу – сплошную или из тонких проводников. Наружный проводник состоит из медной оплетки в виде сетки или тонкой ленты.

Пространство между внутренним проводом и экранирующей оболочкой заполняется пластическим диэлектриком (полистирол, полиэтилен и др.).

Снаружи кабель покрывается защитной изоляционной оболочкой. Эти особенности конструкции, а также полная экранировка поля обуславливает большое практическое удобство и широкое применение коаксиальных линий (кабелей). Они используются на частотах от самых низких до частот сверхсантиметрового диапазона.

Используемые на практике коаксиальные линии имеют волновое сопротивление 50 – 110 Ом. Наиболее употребляемые значения волнового сопротивления для коаксиальной линии 50 и 75 Ом.

В зависимости от типа диэлектрика, геометрических размеров и частоты колебаний, затухание в коаксиальных линиях колеблется в пределах от 0,005 до 1.5 дБ /м, а рабочее напряжение от 1 В до 10 кВ.

Полосковая линия представляет собой проводник, расположенный на некотором расстоянии от металлической плоскости (основания) – несимметричная полосная линия (рис.1.2.е) или заключенный между двумя основаниями. Этот тип линий передач получил широкое распространение с освоением технологии печатных схем СВЧ.

В связи с относительно большим затуханием в полосковых линиях они применяются в основном в качестве элементов конструкций различных узлов СВЧ: делителей мощности, фильтров, направленных ответвителей, а также в качестве сравнительно коротких соединений между этими узлами. В качестве диэлектриков в полосковых линиях применяют чистый или армированный стекловолоконной тканью фторопласт. Обычно полосковые линии выполняются с такими волновыми сопротивлениями, что и коаксиальные линии (50 – 75 Ом) для упрощения соединения кабелей и полосковых линий.

Если используется диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью ε ≥ 10, то такая полосковая линия называется микрополосковой. Благодаря высокой ε поле концентрируется в основном в пространстве между полоской и заземленной пластиной, вследствие чего потери на излучение уменьшаются. Это позволяет использовать в микрополосковых конструкциях несимметричные линии удобные с точки зрения технологии изготовления.

В качестве подложки в микрополосковой линии применяются керамические материалы: ситалл ε = 10, сапфир ε =9.9.

Толщина подложек лежит в пределах от 0,25 мм до 1.5 мм. Микрополосковые линии используются в интегральных схемах СВЧ их применение позволяет существенно уменьшить размеры и массу устройств, что особенно важно для бортовой аппаратуры.

 

Особенности волноводных линий передач

 

Эти особенности обусловлены тем, что их электромагнитные поля имеют продольную составляющую электрического или магнитного поля. Для существования волн в волноводе нет необходимости во втором проводнике, и конструкция волновода проста – они представляют собой трубы.

Наиболее распространенными являются волноводы прямоугольного и круглого сечения. Применяются также волноводы Н и П –образного сечения.

К достоинству волноводных линий относятся малые потери электромагнитной энергии, возможность передавать большие мощности и полная экранировка поля. Эти достоинства обусловили распространение волноводных линий и узлов на их основе во всем диапазоне СВЧ – от дециметровых до миллиметровых волн.

К недостаткам волноводных линий и конструкций на их основе следует отнести сложную технологию изготовления. Значительные размеры и массу, возрастающие по мере увеличения длины волны.

Прямоугольные волноводы (рис.1.4,а) получили наиболее широкое распространение из-за простоты конструкции и устойчивости волн в них.

Обычно стремятся использовать низший из типов волн, способных распространятся по волноводу, так как при этом поперечное сечение получается минимальным. В прямоугольном волноводе при а >в , λ/2 < a < λ, в < l/2 низшим типом волны является магнитная волна типа Н₁₀, она имеет наибольшую критическую длину волны λкр = 2 а.

Волны более высоких типов применяются лишь в некоторых специальных случаях.

Круглые волноводы (рис.1.4б) применяются во вращающихся сочленениях, в устройствах для получения волн с вращающейся поляризацией и в некоторых других случаях. Так как в круглых волноводах возможно изменение направления поляризации в местах неоднородностей, они редко применяются в качестве основных линий передачи.

В круглых волноводах обычно используются волны типов Н₁₁, Е₀₁, Н₀₁.

Волна типа Н₁₁ является низшей из всех в круглом волноводе (λкр = 3,413а). По своим свойствам она похожа на волну типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе.

 

 

Рис.1.4 Поперечные сечения волноводных линии:

а – прямоугольного волновода; б – круглого волновода; в – Н – образного волновода; г – П – образного волновода.

 

Н и П – образные волноводы (рис.1.4 в,г)используются с волнами подобными волнам типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе.

Концентрация поля в центре волновода эквивалентна увеличению погонной емкости, что ведет к уменьшению фазовой скорости, т.е. к увеличению критической длины волны. Таким образом. При заданной длине волны поперечные размеры Н и П волноводов будут меньше, чем размер а у прямоугольного волновода. Н и П – волноводы способны пропускать большую полосу частот, чем прямоугольный волновод с волной Н₁₀. Недостатками Н и П – волноводов являются большое затухание и меньшая электрическая прочность, чем у прямоугольных волноводов при работе на одинаковых частотах.

 

Линии поверхностных волн.

 

Линии поверхностных волн используют явление концентрации части энергии замедленной поверхностной волны над волноводной структурой в свободном пространстве.

Рис.1.5 Линии поверхностных волн: а – с диэлектрическим покрытием;

б – с периодической структурой.

 

Примерами таких линий являются диэлектрические волноводы, представляющие собой сплошные или полые диэлектрические стержни. Вместо диэлектрика можно применять так называемую периодическую структуру, например систему кольцевых канавок на металлическом стержне.

В диэлектрических волноводах могут распространятся волны различных типов. Поле не ограничивается стенками стержня, а выходит наружу. Это поле, связанное с внутренним полем стержня, движется вдоль поверхности его с фазовой скоростью, определенной размерами стержня, диэлектрической и магнитной проницаемостью стержня.

В диэлектрическом волноводе может существовать бесчисленное множество типов волн.

Диэлектрические волноводы нашли практическое применение для передачи энергии волн миллиметрового и светового диапазонов.

 

1.4 Нерегулярности в линиях передач.

 

Нерегулярности в линиях передачи возникают вследствие включения в линию различных элементов и узлов, выполняющих специальные функции. По своему назначению нерегулярности могут быть подразделены на следующие группы:

- элементы, предназначенные для соединения линий одного или различных типов;

- изгибы, уголки и повороты линий;

- подвижные и вращающиеся соединения;

- согласующие устройства;

- устройства, предназначенные для фильтрации, деления или сложения мощности, переключатели и др.

Кроме того нерегулярности возникают в результате неточностей геометрических размеров в процессе изготовления, а также при изменении этих размеров под действием внешних условий (температуры, давления и др.).

Классификация нерегулярностей может быть выполнена по характеру их протяженности вдоль линии:

1. Сосредоточенная

2. Распределенная.

Если протяженность нерегулярности много меньше длины волны в линии, то нерегулярность называется сосредоточенной.

Пример: соединение двух волноводных линий с одинаковыми размерами широких стенок а, но разными размерами узких стенок в₁ и в₂ (рис.1.6).

Размеры волноводов выбраны так чтобы справа и слева может распространятся только волна типа Н₁₀, однако вблизи нерегулярности структура электрического и магнитного поля отлична от поля волны типа Н₁₀.

Рис.1.6 Неоднородности в волноводе: а – поле вблизи неоднородности;

б – эквивалентная схема неоднородности.

 

Основной интерес представляют не сами поля высших типов волн, а тот эффект, который они вызовут в примыкающих к нерегулярности регулярных участках линий передачи. Поэтому на входе и выходе регулярных участков слева и справа от нерегулярности будут существовать только волны основных типов волн и, следовательно, допустимо представление нерегулярности эквивалентом реактивности, т.к. рассматриваемая нерегулярность в основном искажается электрическое поле, то по своему действию такая нерегулярность эквивалентна некоторой емкости.

Распределенная нерегулярность имеет длину, составляющую заметную долю длины волны или превышает ее.

Распределенная нерегулярность используется в качестве плавного перехода между волноводами различного поперечного сечения, между коаксиальными линиями с различным волновым сопротивлением и т.п.

Такие нерегулярности могут рассматриваться как отрезки нерегулярной линии передачи, у которой отражение электромагнитной волны происходит непрерывно на всей длине нерегулярной линии.

Реальная линия передачи состоит из отрезков регулярных линий и различных нерегулярностей, каждая из которых характеризуется своим коэффициентом отражения Г̉_i = Г̉_i e ^jφ_i. Волны, отраженные от нерегулярностей, складываются на входе линии с учетом фазовых сдвигов, усиливая или ослабляя друг друга.

 

1.5 Согласующие устройства.

 

Согласование линии передачи заключается в преобразовании сопротивления нагрузки в сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, в результате чего в линии устанавливается бегущая волна.

Режим бегущей волны обладает рядом преимуществ, к числу которых относятся максимальный КПД, равенство входного сопротивления линии волновому сопротивлению, минимальная величина напряжения в линии при заданной мощности, минимальные фазовые искажения.

Получение режима бегущей волны достигается путем включения между нагрузкой и линией переходного устройства. Это может быть согласующее устройство, трансформирующее сопротивление нагрузки Z_н в волновое сопротивление линии W, либо ферритовое устройство (вентиль), отличающееся тем, что волны, проходящие к нагрузке проходят без поглощения, а волны отраженные от нагрузки полностью поглощаются.

 

Узкополосные согласующие устройства.

 

Задача согласования в узкой полосе частот решается просто. В этом случае чаще всего использую трансформаторы сопротивлений в виде отрезков линий передачи и параллельных реактивных проводимостей. Величина полосы частот согласующего устройства зависит от частотных свойств нагрузки и согласующих устройств, а так же от требования к величине К_св.

Четвертьволновый трансформатор (рис.1.7а)используется как согласующее устройство при соединении линий передачи одного типа с различными волновыми сопротивлениями и для согласования линии с произвольной активной нагрузкой.

Рис. 1.7 Четвертьволновый трансформатор: а – активная нагрузка;

б – комплексная нагрузка.

 

Отрезок линии длиной λ/4 трансформирует величину сопротивления нагрузки Z _н во входное сопротивление Z _вх по закону

Z _вх = W ² / Z _н

Так как W – величина вещественная, то при комплексной нагрузке входное сопротивление будет тоже комплексным.

Поэтому с помощью четвертьволнового трансформатора можно согласовать только активное сопротивление. Из (1) следует, что для согласования нагрузки R_н с линией, обладающей волновым сопротивлением W, необходимо между нагрузкой и линией включить четвертьволновой отрезок линии, волновое сопротивление которого определяется из сопротивлений:

W = Z _вх = W _τ²/R _н

W_τ = V R _н W

Изменения волнового сопротивления на участке λ/4 достигается изменением размеров поперечного сечения линии или изменением диэлектрика.

Одиночный четвертьволновый трансформатор является узкополосным согласующим устройством.

Если линия нагружена на комплексное сопротивление Z̉_н , то четвертьволновый трансформатор присоединяется не непосредственно к нагрузке, а через участок линии длиной ℓ_с (рис.1.7 б), которая обеспечивает в месте включения четвертьволнового трансформатора чисто активное сопротивление. Для этого в месте включения трансформатора должен быть узел или пучность стоячей волны. Необходимое для этого длинаℓ_с и величина активного сопротивления могут быть рассчитаны по формуле:

Z_Lc = R = W (Z̉_н + j W tg βℓ_c) / (W + j Z̉_н tg βℓ_c )

Волновое сопротивление трансформатора:

W _τ = V W*R

Двухшлейфный и трехшлейфный трансформатор(рис,1.8) используют для согласования как активной, так и комплексной нагрузки. Расстояние между шлейфами фиксировано, равно λ/4 или 3λ/8.

Изменяя длину второго шлейфа ℓ_ш2 изменяем входную проводимость в сечении первого шлейфа до тех пор пока ее активная часть не станет равной волновой проводимости линии. Реактивная составляющая проводимости в этом сечении компенсируется выбором длины первого шлейфа ℓ_ш1.

 

 

Рис.1.8 Многошлейфные согласующие устройства:

а – двухшлейфные; б – трехшлейфные.

 

Широкополосные согласующие устройства.

 

Широкополосные согласующие устройства требуются для работы в относительном диапазоне частот порядка десяти процентов и более. Трудности широкополосного согласования заключаются в том, что входное сопротивление антенны сильно зависит от частоты. Основными широкополосными согласующими устройствами являются широкополосные частотные компенсаторы, ступенчатые трансформаторы и плавные переходы.

Ступенчатые трансформаторы (рис.1.9 б) применяются для согласования линий с нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую, а также для соединения линий с различными волновыми сопротивлениями.

а б

 

Рис.1.9 а – схема частотного компенсатора; б – схема ступенчатого трансформатора.

 

Трансформатор представляет собой каскадное соединение отрезков линий (ступеней, имеющих одинаковую длину ℓ и различные волновые сопротивления W_i).

Чем длиннее переход и чем больше в нем ступеней, тем шире полоса частот согласования.

Среди возможных структур многоступенчатых трансформаторов наибольшее распространение получили:

- многоступенчатые трансформаторы с одинаковыми ступенями;

- чебышевские ступенчатые трансформаторы (чебышевское распределение коэффициентов отражения ступеней);

- ступенчатые трансформаторы с максимально плоской частотной характеристикой.

Плавные переходы, используемые при согласовании активных нагрузок, представляют собой нерегулярные линии передачи, в которой волновое сопротивление является функцией продольной координаты.

Рис.1.10 Схема экспоненциального перехода.

 

Если волновое сопротивление плавного перехода изменяется вдоль продольной координаты по экспоненциальному закону W(z) = W ₂ ℓ ^βz то такой переход называется экспоненциальным(рис.1.10).

Частотный компенсатор (рис.1.9 б)использует взаимную компенсацию частотных изменений сопротивления нагрузки и согласующих элементов. Частотную компенсацию можно осуществить путем подбора необходимого закона частотного изменения сопротивления согласующих элементов и реализовать путем выбора длины и волнового сопротивления шлейфов и последовательных трансформаторов. Схема простейшего широкополосного согласующего устройства с частотной компенсацией показана на рис. 1.9 а.

 

Компенсация реактивности нагрузки производится с помощью шлейфа, включенного параллельно нагрузке. Подбором величины волнового сопротивления шлейфа W_ш и его длины ℓ_ш можно регулировать ширину полосы рабочих частот, в которых некомпенсированная реактивная проводимость не превышает допустимой величины.

Основным достоинством согласующих устройств, использующих принцип частотной компенсации, является принципиальная возможность согласования линии с комплексной нагрузкой в полосе частот. Их недостатком является сложность изготовления и настройки.