Линии передачи свч и их технические характеристики
Лекция 1. Линии передачи свч и их технические характеристики
Будем называть линией передачи (ЛП) протяжённую область пространства,
направляющую поток электромагнитной энергии и пространственно ограничивающую
электромагнитное поле волны (рис. 2.1). Если поперечное сечение
линии не изменяется вдоль продольной оси z, то такая линия называется
регулярной.
Рис. 2.1. Обобщённая линия передачи
Линии передачи используют для передачи мощности от генераторов к
Рекомендуемые материалы
потребителям, для образования резонансных систем – объемных резонаторов
и колебательных контуров с распределенными параметрами, а также для
трансформации (преобразования) полных сопротивлений нагрузок. Отрезки
линий передачи применяют и для объединения отдельных СВЧ устройств
в единый тракт.
Линии передачи могут содержать проводники и диэлектрическое заполнение
различного характера, форма самих линий передачи может быть совершенно
различной и при этом она может также изменяться в направлении
распространения электромагнитной энергии. Если проводники в поперечном сечении линии могут быть нарисованы без отрыва карандаша от бумаги, то
говорят об односвязной системе. Многосвязную систему нельзя начертить, не
отрывая карандаша от бумаги, она содержит как минимум два проводника.
Для характеристик этих отличий вводится понятие порядка связности линии
передачи. При этом ЛП условно подразделяют на регулярные и нерегулярные,
а в зависимости от свойств заполняющих их сред – на однородные и неоднородные.
Порядок связности линии передачи – это характеристика поперечного
сечения ЛП, определяемая числом проводящих поверхностей. В зависимости
от количества проводящих поверхностей, линии передачи подразделяют на
односвязные линии, двухсвязные, трехсвязные и многосвязные. Примерами
односвязных линий передачи являются металлические и круглые волноводы,
двусвязных – двухпроводные ЛП, коаксиальные кабели, а также несимметричные
полосковые линии передачи. Трехсвязными и многосвязными могут
быть те же многопроводные линии передачи. Помимо этого существуют линии
нулевой связности – это линии передачи, не имеющие проводящих поверхностей.
К ним относят диэлектрические ЛП.
Регулярная линия передачи – это линия, у которой в направлении передачи
СВЧэнергии
неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства
заполняющих сред. Если у линии передачи отсутствует хотя бы одно
из условий регулярности, то такая линия называется нерегулярной. Так несимметричная
полосковая линия, выполненная на монолитной подложке с
неизменной шириной полоскового проводника на протяжении всей ее длины,
называется регулярной. Если хотя бы на одном из ее участков в направлении
распространения электромагнитной волны изменена ширина полоскового
проводника или один из ее отрезков выполнен на другой подложке, такая линия
передачи уже будет нерегулярной.
Однородной линией передачи называют линию, заполненную средой с
неизменными электромагнитными свойствами в каждой точке объема, который
она заполняет. Наоборот, неоднородная линия передачи – это линия, заполненная
неоднородной средой, то есть средой, в которой существуют две
или более области, имеющие разные электромагнитные свойства. Линию передачи
без диэлектрического заполнения называют воздушной.
По типу конструкции линия передачи может быть как открытой, так и
экранированной. В открытой линии передачи электромагнитное поле волны
находится не только внутри линии, но и вблизи нее. В экранированной ЛП
выходу электромагнитного поля за ее пределы препятствует металлический
экран. Это в частности актуально для полосковых и несимметричных полосковых
линий передачи.
Выбор 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
141
типы линий передачи для различных диапазонов длин волн представлены на рис
2.2.
В любой линии передачи можно возбуждать различные типы гармонических
волн, отличающиеся структурой электромагнитного поля в поперечном
сечении. Бегущей волной называют электромагнитную волну определенного
типа, распространяющуюся в линии передачи только в одном направлении.
Для каждой из бегущих волн существует своя критическая частота wкр,
ниже которой она распространяться не может, а лишь локализуется вблизи
своего источника. Критическую частоту wкр называют еще частотой отсечки.
Электромагнитная волна, имеющая наименьшую критическую частоту
в данной линии передачи, называется волной основного типа или основной
волной. Как правило, линии передачи используются в режиме волны основного
типа. Диапазон частот, в котором возможно распространение волн основного
типа без распространения волн высших типов называют основным
диапазоном частот линии передачи. Однако в некоторых применениях преимущество
отдается волнам высших типов. Волной высшего типа называют
волну, критическая частота которой выше критической частоты основной
волны.
Основные отличия линий передачи друг от друга определяются типом
электромагнитных волн, распространяющихся вдоль ЛП. Различают следующие
типы волн:
а) поперечные электромагнитные волны (Тили
ТЕМволны)
– волны, не содержащие продольных составляющих электромагнитного поля (Ez = 0, Hz = 0);
б) электрические волны (Еволны) – волны, не имеющие продольной
составляющей магнитного поля (Hz = 0);
в) магнитные волны (Hволны) – волны, не имеющие продольной составляющей
электрического поля (Ez = 0);
г) гибридные волны (HЕволны или ЕHволны) – электромагнитные волны, векторы напряженности электрического и магнитного поля которых
имеют отличные от нуля поперечные и продольные составляющие.
Поперечные волны существуют только в линиях передачи имеющих
порядок связности не менее двух. Иначе говоря, они существуют только в линиях
передачи, имеющих не менее двух изолированных проводников (то есть
в двухпроводных и многопроводных ЛП, коаксиальных и полосковых линиях
передачи). Критическая частота для Тволн равна нулю; Как Н, так и Еволны
характерны для волноводов с однородным диэлектрическим
заполнением. Критические частоты Н и Еволн отличны от
нуля и зависят от формы и размеров поперечного сечения, а также от параметров
заполняющего диэлектрика. Для волноводов с правильной формой
поперечного сечения (прямоугольник, круг и др.) существуют точные формулы
13 Элементы теории статистических решений - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
расчета критической частоты или критической длины волны. Гибридные волны, типы которых различаются двумя индексами, как правило, существуют в линиях передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением. Критические частоты гибридных волн сложным образом зависят от формы и размеров поперечного сечения линий передачи, в которых они распространяются, а также от параметров заполняющих их диэлектрических
сред. Для некоторых типов гибридных волн критические частоты могут
асимптотически стремиться к нулю. Одной из главных особенностей гибридных
волн является наличие дисперсии. Важнейшим параметром любой бегущей гармонической волны является волновое число kz, описывающее зависимость напряженностей E и H электромагнитного поля от продольной координаты z в линии передачи:
