Классификация линий передачи свч
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ СВЧ
1.1. Классификация линий передачи свч
В соответствии с ГОСТ линией передачи СВЧ называется устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. Направление распространения определяется взаимным расположением источника электромагнитных колебаний и нагрузки в линии передачи. Источником электромагнитных колебаний может служить, например, генератор, подключенный к линии передачи, приемная антенна или устройство возбуждения линии передачи, отбирающее часть электромагнитной энергии от другой линии передачи или какого-либо устройства СВЧ. Нагрузкой линии передачи может служить устройство, преобразующее электромагнитную энергию (например, в тепло), излучающая (передающая) антенна, входные цепи приемника и т.п.
К СВЧ-устройствам относятся линии передачи и преобразователи СВЧ-энергии, ответвители, фильтры, вентили и т.д. Совокупность СВЧ-устройств, сочлененных определенным образом, образует тракт СВЧ.
Различают регулярные и нерегулярные линии передачи. У регулярной линии передачи в продольном направлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих сред. Если одно из условий регулярности отсутствует, то такая линия является нерегулярной.
Линия передачи, заполненная однородной средой, называется однородной. В противном случае – неоднородной.
Линии передачи классифицируются по диапазонам частот.
Принята и закреплена ГОСТами терминология (табл. 1.1), определяющая длины, волн и частоты электромагнитных колебаний. Приведенная терминология ограничена диапазоном частот от 3 кГц до 3000 ГГц (1ГГц = 109 Гц). Такая классификация обусловлена особенностями распространения радиоволн в различных диапазонах частот. В табл. 1.1 диапазон СВЧ соответствует сантиметровым волнам. Однако на практике этим термином определяют диапазон с более широкими границами, который включает в себя волны от метровых до миллиметровых.
Линии передачи классифицируются по типам используемых волн: линии передачи с поперечной электромагнитной волной (T-волной); линии передачи с магнитной волной (Н -волной); линии передачи с электрической волной (Е -волной); линии передачи с гибридной волной.
Рекомендуемые материалы
Таблица 1.1
| Длина волны | Термин | Частота | Термин |
| 100..,10км | Мириаметровые волны | 3...30 кГц | Очень низкие частоты (ОНЧ) |
| 10...1 км | Километровые волны | 30...300 кГц | Низкие частоты (НЧ) |
| 1000...100 м | Гектометровые волны | 300...3000 кГц | Средние частоты (СЧ) |
| 100...10м" | Декаметровые волны | 3.. .30 МГц | Высокие частоты (ВЧ) |
| 10...1 м | Метровые волны | 30...300 МГц | Очень высокие частоты (ОВЧ) |
| 100...10см | Дециметровые волны | 300...3000 МГц | Ультравысокие частоты (УВЧ) |
| 10...1 см | Сантиметровые волны | 3...30 ГГц | Сверхвысокие частоты (СВЧ) |
| 10... 1 мм | Миллиметровые волны | 30...300 ГГц | Крайневысокие частоты (КВЧ) |
| 1... 0,1 мм | Децимиллиметровый диапазон | 300...3000 ГГц | Гипервысокие частоты (ГВЧ) |
Направив ось z прямоугольной системы координат вдоль линии передачи, каждый тип волны можно определить условиями, представленными в табл. 1.2 и накладываемыми на продольные Ez и Нz составляющие векторов электрического и магнитного полей соответственно.
Таблица 1.2
| Типы волн | Условия на продольные составляющие полей |
| Т -волны | Еz=0, Hz=0 |
| Н -волны | Еz=0, Hz¹0 |
| Е -волны | Ez¹0, Hz=0 |
| Гибридные волны | Ez¹0, Hz¹0 |
Из табл. 1.2 следует, что в T-волне векторы напряженности электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения; в Н -волне вектор напряженности магнитного поля имеет продольную и поперечную составляющие, а вектор напряженности электрического поля имеет только поперечную составляющую; в Е -волне вектор напряженности электрического поля имеет продольную и поперечную составляющие, а вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости поперечного сечения линии передачи; в гибридной волне векторы напряженности электрического и магнитного полей имеют и продольные, и поперечные составляющие.
Рис. 1.1 Классификация линий передачи
Классификация линий передачи по видам представлена на рис. 1.1. Линия передачи, конструкция которой не допускает упругого или пластичного изгиба, называется жесткой; в противном случае – гибкой. Волноводом называется линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Если такой проводящий контур отсутствует, то линия передачи называется открытой.
Рис. 1.2. Поперечные сечения проволочных линий:
а) – двухпроводной; б) - четырехпроводной
К проволочным нитям передачи относятся воздушные дву и четырехпроводные пинии передачи. На рис. 1.2 представлены поперечные сечения таких линий передачи. Проводники линии могут быть покрыты диэлектриком. Основным типом волны в них является Т-волна. В четырехпроводных линиях возбуждаются попарно соединенные проводники, например вертикальные, горизонтальные или диагональные. Такие линии передачи используются в диапазонах гектометровых, декаметровы и метровых волн. К полосковым линиям передачи относятся несимметричная и симметричная полосковые линии, щелевая и копланарная линии. Поперечные сечения таких линий и структура полей в них представлены на рис. 1.3. Они применяются в диапазонах дециметровых, сантиметровых и длинноволновой части миллиметровых волн. Основной волной несимметричной и симметричной полосковых линий является T-волна. В щелевой и копланарной линиях основной является Н-волна.
Рис. 1.3. Поперечные сечения полосковых линий передачи:
а) – несимметричной; б) – симметричной; в) щелевой; г) копланарной
Различают также микрополосковые линии передачи. К ним относятся полосковые линии, у которых диэлектрический» пластина (подложка) имеет большую относительную диэлектрическую проницаемость er (более 10) и малые потери. Вследствие этого геометрические размеры устройств, выполненных на основе таких линий, уменьшаются в 
раз. В качестве диэлектрической подложки микрополосковых линий используются поликор, ситалл, кремний, сапфир и др. Для уменьшения потерь в полосковых линиях в качестве диэлектрика используется воздух. Такие линии называются воздушными или высокодобротными полосковыми линиями.
Диэлектрические линии передачи классифицируются в зависимости от формы поперечного сечения. Некоторые из них представлены на рис. 1.4. Такие линии используются в диапазоне миллиметровых волн. Основным типом волны является гибридная НЕ-волна.
При удалении от диэлектрика амплитуда волны, распространяющейся по линии, быстро убывает. Наличие металлического экрана в зеркальных диэлектрических линиях (рис. 1.4, д, е, ж) позволяет сохранять поляризационную структуру поля распространяющейся волны.
Рис. 1.4. Поперечные сечения диэлектрических линий передачи: а) – круглой; б) – прямоугольной; в) – трубчатой; г) – звездообразной; д), е), ж) – зеркальных
Волоконно-оптические линии передачи используются в децимиллиметровом (субмиллиметровом) и оптическом диапазонах. Они представляют диэлектрическую линию круглого поперечного сечения, выполненную из кварца, с несколькими одновременно распространяющимися типами волн. Линия передачи, в которой на данной частоте могут распространяться одновременно несколько типов волн (мод), называется многомодовой. Диаметр круглого волокна составляет несколько длин волн электромагнитных колебаний. Распространение волн в волоконно-оптических линиях передачи основано на эффекте полного внутреннего отражения от границы диэлектрик-воздух. Для уменьшения тепловых потерь в таких линиях используют волокна с изменяющимся в поперечном сечении коэффициентом преломления. Это приводит к уменьшению геометрического пути, который проходит луч на единицу длины линии передачи.
Рис. 1.5. Лучевые линии передачи:
а) – отражательного типа; б) – линзового типа
Квазиоптические (лучевые) линии передачи представляют собой нерегулярные линии, принцип работы которых основан на использовании оптических свойств радиоволн. На рис. 1.5 схематично представлены варианты построения таких линий. Они используются в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых волн.
Коаксиальные волноводы представляют собой жесткие или гибкие коаксиальные кабели, основной волной в которых является T-волна. Они используются в диапазонах от гектометровых до сантиметровых волн включительно. Поперечные сечения наиболее распространенных на практике коаксиальных волноводов представлены на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Поперечные сечения коаксиальных волноводов:
а) – прямоугольного;
б) – круглого
Обратите внимание на лекцию "Введение".
Рис. 1.7. Поперечные сечения металлических волноводов:
а) – прямоугольного; б) – круглого; в) – П-образного; г) – Н-образного; д) – эллиптического
Волноводы прямоугольного, круглого и более сложного поперечных сечений представляют собой металлические трубы соответствующих поперечных сечений (рис. 1.7). Основной волной в таких линиях передачи является низшая Н-волна. Металлические волноводы используются в диапазонах от коротковолновой части дециметровых до миллиметровых волн.
На рис. 1.8 показаны области частотного диапазона, в которых используются те или иные типы линий передачи.
Линии передачи могут быть классифицированы по порядку связности их поперечного сечения. Порядок связности является геометрической характеристикой поперечного сечения линии и определяется числом проводящих поверхностей. В зависимости от количества проводящих поверхностей линии передачи разделяют на односвязные, двухсвязные, трехсвязные, многосвязные и нулевой связности при отсутствии проводящих поверхностей. Например, металлические волноводы являются одно-связными линиями передачи, коаксиальные волноводы – двухсвязными, а диэлектрические линии передачи (см. рис. 1.4, а, б, в, г) имеют нулевую связность поперечного сечения.
