Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988), страница 4

й 1.3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ бо кн В радиосистемах используются различные линии передачи. В ыор конкретного типа линии определяется назначением и параметрами радиосистемы, условиями ее работы и решающим образом зависит от используемого диапазона длин волн и передаваемой мощности. Наиболее распространенные типы линий передачи для различных диапазонов длин волн представлены на рис! 1.1. Рассмотрим свойства некоторйх линий передачи. Генваываробые,нвнвяьье децоыеввьбыа, санно- есеврабые, иаеааыеврабьв н бенанеоробые бонны ываробые и ыввнывнв- бецонворв- банны и банньь бые банны бые осанвн- анвочесеоса ыеврабые .

бнонаьона денны Рис. 1.1. Типы линий передачи дли различима дивпваоиов волн Проволочные линии передачи. Открытая линия передачи из двух одинаковых параллельных проводников (рис. 1.2, о) с Т-волной применяется на гектометровых и метровых волнах для подключения антенн к приемным и передающим устройствам. На более коротких волнах применению двухпроводных линий препятствует заметное излучение, создающее помехи и увеличивающее затухание. Волновое сопротивление воздушной двухпроводной линии (Ом) зависит от диаметра ее проводников ь1 и расстояния между проводниками ).1 согласно формуле Е,=2761д [йф+)I 1+(Ю!с(Я .

При конструктивно удобных соотношениях сь/с( волновое сопротивление двухпроводной линии составляет 200 — 600 Ом. Воздушные двухпроводные линии выполняют из неизолированных медных нли биметаллических проводов, подвешенных на опо- г л а рах с помощью специальных керамических изоляторов на высоте ие менее 3 и от поверхности земли. Четырехпроводные линии передачи, образованные из попарно соединенных проводников (рнс. 1.2, б), имеют такое же применение, как и двухпроводные линии, но отличаются меньшим паразртным излучением, более низким волновым сопротивлением и лучшей электрической прочностьюе Возможны два способа образования синфазных пар проводников четырехпроводной линии передачи: параллельно-вертикальный и «крест-накрест».

При синфазном возбуждении проводов, лежащих по одну сторону от вертикальной Рне. 1.2. Проволочные линни передачи е е Т-волной Рне. 1.3. Неэкранированные двухпро- водные кабели: т — нооаолннкя линна: в — лиалектонк: а- аашитная ляелектончеекаа оболочка плоскости симметрии, волновое сопротивление (Ом) определяется по формуле л,-1н:.':" ч)тТ~Гоеот1. Если же синфазными являются накрест лежащие провода, то волновое сопротивление более низкое и определяется по формуле 133 1 2 От е тттоеол Четырехпроводная перекрещенная линия передачи, применяемая для питания передающих антенн, имеет типовые размеры: В~ — — йвж40 см, дуб мм и волновое сопротивление 300 Ом.

Для подключения антенн к приемникам используется более компактная линия с размерами,0~=0вж3 см, д=1,5 мм и волновым сопротивлением 200 Ом. Коэффициент затухания (Нп/м), обусловленный потерями в проводниках линии, определяется по общей формуле и = =ЮЕ/(ля), ГдЕ )Т, — ПОГОННОЕ СОПрОтИВЛЕНИЕ, раВНОЕ СУММЕ ПОГОН- ных сопротивлений отдельных проводников. Коэффициент затухания двухпроводной линии имеет довольно низкое значение. Для линии с медными проводниками при 0=70 мм, б=! мм имеем 2,= =600 Ом и на длине волны 30 и расчетный коэффициент затухания 0,005 дБ/и. Отметим, что двухпроводные линии передачи изготовляют также в виде гибких кабелей (рис.

1.3). Коаксиальиые ликии передачи. Область применения ' таких линий охватывает волны длиной от 3 — 5 см до 10 и. Коаксиальные волноводы представляют собой жесткие конструкции из металлических трубок, закрепленных одна в другой с помощью диэлектрических шайб или металлических изоляторов, либо имеют вид гибких коаксиальных кабелей. Волновое сопротивлениедля Т-волны в коаксиальной линии передачи (Ом) определяется по формуле Я,=138)' в»/в 1п(Р/И). Коэффициент затухания в коаксиальной линии (дБ/и) в общем случае обусловлен потерями в проводниках и в диэлектрике. "а= =а +а„. Для каждого слагаемого имеют место.

несложные фор- мулы 2,~И»(1+1»!о) 1/ »» 2730)'в»сялв Рил(Р1л) г и» ' ' ~о где Я, — удельное сопротивление квадрата поверхности проводника (Ом), определеямое формулой (1.1); диаметр Р и длину волны ле следует брать в сантиметрах. Отметим, что коэффициент затухания а„ не зависит от размеров и фор- »4;е мы поперечного сечения линии, а опре»(вв ъ деляется только параметрами диэлектрика и рабочей длиной волны, что (г ргг»л»Г справедливо для любых линий перепа(д чн с Т-волной. Коэффициент затухания ан, напротив, зависит от размеров проводников, н поэтому.

следует выяснить, 06 при каком соотношении Р/д потери в проводниках минимальны. Анализ показывает, что а минимален при Р/с(= р,„ =3,6, что,соответствует волновому сод противлению 77 Ом при воздушном ЛФ заполнении линии. Однако завнсирнс. к4. харвктервстнкн ко- месть относительного коэффициента вкснвлвного волноволв с Т. затухания ан/ан внв От отношения волной Р/г( имеет довольно плавный характер (рис.

1.4). Критическая мощность коаксиального волновода, соответствующая началу пробоя при чисто бегущей Т-волне, определяется вы- ражением с(» Р»» р»»л»» (г Екв пРт 2!в (Р/г1) 240л 4 (Р(л)т (! .3) где Еэ,р/(240п) = 1,2 МВт/см' — модуль вектора Пойнтинга при начале пробоя воздуха однородной плоской волной; пйэ/4 — площадь поперечного сечения коаксиального волновода.

Множитель формы 2 1п (В/И1 (в/ар в формуле (1.3) учитывает неравномерность распределения электрического поля в поперечном сечении. Максимальное его значение, достигается при отношении г)/г(=1,65 и составляет 0,368; волновое сопротивление при этом равно 30 Ом. При отклонении отношения й/г( от оптимального значения удельная электропрочность Р„г/Р„г коаксиального волновода быстро уменьшается (рис. 1.4). Из формул (1.2) и (1.3), определяющих коэффициент затухания и критическую мощность при элентрическом пробое, следует, что для снижения коэффициента затухания а и увеличения электропрочности необходимо увеличивать диаметр волновода В (точнее, площадь поперечного сечения).

Однако это сопряжено с опасностью появления волны высшего типа Нп, для которой критическая длина волны Х~ржп(0+0)/2,02. Если вместо условия Й=сопз1 потребовать Х)Х„~ (что для волны Нп означает постоянство суммы диаметров внешнего и внутреннего проводников линии), то поведение кривых относительного затухания и относительной электропрочности в функции параметра Р/д остается подобным показанному на рис. 1.4„но положения экстремумов изменяются.

Минимум затухания получается при О/йж4,67, а максимум электропрочности — при О/г(ж2,1. Стандартные волновые сопротивления 50 и 75 Ом выбраны в области, где параметры коаксиальной линии близки оптимальным. Кроме жестких коаксиальных волноводов широкое применение находит гибкие коаксиальные кабели. Они состоят из одножильного или многожильного внутреннего проводника, окруженного слоем эластичного диэлектрика (полиэтилен, фторопласт и др.), поверх которого располагается внешний проводник в виде металлической оплетки. Для защиты от внешних воздействий поверх оплетки располагается еще одна диэлектрическая оболочка.

Параметры коаксиальных кабелей приводятся в справочниках. Полосковые и микрополосковые линни передачи широко применяются на дециметровых и сантиметровых волнах в основном для образования сложных разветвленных трактов, объединяющих в единое устройство СВЧ многие элементы. Полосковые линии образуются из параллельных металлических проводников и диэлектрических пластин.

Различают симметричные и несимметричные полосковые линии передачи. Симметричные линии имеют в поперечном сечении две перпендикулярные плоскости симметрии, несимметричньш линии — одну. На рис. 1.5 показаны некоторые разновидности полосковых линий и соответствующие структуры электрического поля в поперечном сечении. Широкие металлические пластины полосковых линий являются экранами и могут рассматриваться как бесконечные плоскости с нулевым потенциалом, Существует три разновидности полосковых линий: жесткие воздушные полосковые линии; линии на основе фольгированных диэлектрических пластин (армированиые стеклом фторопласты, полимеры и др.)„.линии на основе диэлектрических пластин из керамики или кристаллических материаловс высоким значением диэлектрической проницаемости (поликор, ситалл, кварц, сапфир, кремний, арсенид галлия и др.).

Жесткие воздушные полосковые линии применяют при повышенных мощностях н выполняют чаще всего симметричными (рис. 1.5, б). Для обеспечения жесткости проводники этих линий имеют Рне. 1.5. Полосковые линии передачи: о — неснннетрнчноя рнння: 6 — снннетрнчняя ннння: о — оысонодобротнея роняя значительную толщину. Крепление внутренних проводников осуществляется с помощью металлических (четвертьволновых) или диэлектрических изоляторов.

Полосковые линии второго типа изготовляют методами фотолитографии из заготовок в виде диэлектрических пластин (з,=2 — 7; !уй=10 ' — 10-а; толщина пластин 1,0 — 4 мм), покрытых с двух сторон металлической фольгой. Толщина фольги в несколько раз превышает глубину проникновения поля и составляет 15 — 100 мкм.

В несимметричных полосковых линиях один слой фольги является экраном, а второй слой используют для образования рисунка полосковой платы. В симметричных полосковых линиях рисунок полосковой платы накрывают ответной полосковой платой, с внутренней поверхности которой фольга полностью удалена. Внешние экраны симметричных полосковых линий надежно соединяют между собой. Для исключения диэлектрических потерь применяют так называемую вмсокодоброгпую симметричную полосковую линию (рис.

!.5, в). Внутренний проводник такой линии образуется из соединенных между собой на входах и выходах параллельных полосок фольги на двух сторонах тонкого диэлектрического листа. Лист закрепляют на опорах посередине между металлическими обкладками. Электрическое поле внутри диэлектрического листа почти отсутствует, и диэлектрик практически не влияет на параметры линии. Полосковые линии передачи третьего типа на подложках с высокой диэлектрической проницаемостью (е„=10 — 15, 1н б= (1 — 5) Х х10-4, толщина пластины 0,5 — 1,0 мм) отличаются уменьшенными примерно в 3~ а, раз размерами конструкций по сравнению с воздушными линиями, и поэтому их часто называют микрололосковы- ,,и рне. 1.6.

Шалевая линия певелачи ми. Основания микрополосковых линий имеют стандартные размеры, их изготовляют по высокому классу точности и полируют. Нанесение рисунков микрополосковых плат осуществляют методом электровакуумного напыления через маски с последующим гальваническим наращиванием толщины проводников. Наиболее распространены несимметричные микронолосковые линии (рис. 1.5, а). В несимметричных полосковых линиях с диэлектриком низший тип волны имеет квази-Т-структуру. Фазовая скорость этой волны принимает среднее значение между скоростями света в диэлектрике и в воздухе. Волновые сопротивления полосковых линий составляют 20 — 100 Ом и легко регулируются подбором ширины проводников. Расчеты параметров полосковых линий являются трудоем- кими и поэтому производятся на ЭВМпоспециальным программам.