Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Татариновым, предложившим наиболее распространенный метод измерения комплексных входных сопротивлений в линиях передачи по продольному распределению напряжения или тока и создавшим ряд классических схем согласования нагрузок с линией передачи. ЭВМ характеристик излучения антенн, размещенных вблизи металлических тел вращения. В 1970 — 1980 гг. В. В. Никольским и его сотрудниками был создан ряд оригииальиых методов электро- динамического расчета иа ЭВМ волноводных и микрополосковых устройств и линий передачи. Среди результатов, полученных советскими учеными в последнее время, следует отметить успешную разработку и внедрение методов восстановления иа ЭВМ характеристик излучения крупногабаритных аятенн по замерам амплитуд и фаз ближнего электромагнитного поля.
Основоположниками этого перспективного направления исследования характеристик антенн явились чл.-кор. АН Армянской ССР. Р1. М. Геруии и чл.-кор. АН СССР Л. Д. Бахрах. Заканчивая краткий обзор развития техники антенн и устройств СВЧ, можно с удовлетворением отметить, что в быстром историческом развитии антенны из простого средства увеличения дальности радиосвязи в первых приборах А. С. Попова превратились в определяющее звено радиосистем. Предельные возможности современных радиолокационных станций по дальности и точности пеленгации целей, предельные чувствительность и разрешающая способность радиотелескопов, предельные дальности радиосвязи,в космосе с удаленными объектами и многие другие характеристики разнообразных радиосистем определяются технически достижимыми параметрами антенных устройств, в первую очередь — шириной луча, т. е.
направленностью действия. Наиболее сложные современные антенные системы в сочетании с многоканальными трактами по своему функциональному назначению превратились в своеобразный технический аналог глаза, обеспечивающий «радиовидение». ЧАСТЬ ПЕРВАЯ УСТРОЙСТВА СВЧ 1!л. ОСНОВНЫЕ ПАРАспЕТРЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ Линией передачи называют устройство, ограничивающее область >аспространения электромагнитных колебаний н направляющее юток электромагнитной энергии к нагрузке. Линии передачи исюльзуют для передачи мощности от генераторов к потребителям, сля образования резонансных систем — объемных резонаторов и солебательных контуров с распределенными параметрами, для срансформации (преобразования) полных сопротивлений нагрузок. отрезки линий передачи применяют и для объединения отдельных сстройств СВЧ в единый тракт.
Линия передачи называется регулярной, если в продольном на|равлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свой:тва заполняющих ее сред. Линия передачи называется однородсой, если поперечное сечение заполнено однородной средой. Разлисают открытые линии передачи и волноводы. В открытых линиях середачи (многопроводные и полосковые линии, линии с поверхюстной волной и др.) поперечное сечение не имеет замкнутого сроводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Напротив, в волноеодах обязательно смеется одна или несколько проводящих поверхностей, полностью захватывающих область распространения электромагнитных колебаний. При выборе того или нного типа линии передачи для построения сонкретного тракта СВЧ решающее значение имеют следующие исектрические характеристики и параметры.
Тир' волны, структура электромагнитного поля и критическая частота. Эти характеристики определяются исходя из указанных размеров поперечного сечения путем решения граничных задач электродинамики. Как правило, линии передачи используются в режиме волны основного типа (основной волны), имеющей наименьшую критическую частоту ы,р.
Однако в некоторых применениях преимущество отдается волнам высших типов с критической частотой, превышающей частоту основной волны. различают следующие типы волн: а) поперечные электромагнитные волны — Т-волны, не содержащие продольных составляющих электромагнитного поля. Они существуют только в линиях передачи, имеющих не менее двух изолированных проводников, причем критическая частота для Т-волн равна нулю; б) электрические волны — Е-волны, не имеющие продольной составляющей магнитного поля; в) магнитные волны — Б-волны, ие имеющие продольной составляющей электрического поля; г) гибридные волны типа НЕ или ЕН, Как Н-, тих и Е-волны характерны для волноводов с однородным диэлектрическим заполнением.
Критические частоты Н- и Е- волн 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 расчета критической частоты или критической длины волны. Для гибридных волн характерно наличие продольных составляющих как магнитного, так и электрического полей. Гибридные волны, как правило, существуют в линиях передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением. Критические частоты гибридных волн сложным образом зависят от формы и размеров поперечного сечения, от параметров заполняющих диэлектрических сред.
Соответствующие алгоритмы расчета оказываются громоздкими, и поэтому характеристики гибридных волн обычно определяют с помощью ЭВМ. Для некоторых типов гибридных волн критические частоты могут асимптотически стремиться к нулю. Дмсперснонная характеристика. Дисперсией называется зависимость фазовой скорости волны в линии передачи от частоты, а дисперснонная характеристика представляет собой конкретный вид этой зависимости, задаваемый формулой или графиком. Линии передачи с Т-волнамн не имеют дисперсии, и фазовая скорость в них на любой частоте равна скорости распространения плоской электромагнитной волны в среде, заполняющей линию передачи: се=с(г,р,) — '~т, где с — скорость света в вакууме; е, и М вЂ” относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости диэлектрика, заполняющего линию передачи.
Фазовые скорости Н- и Е-волн в полых волноводах завнсят от частоты и превышают скорость света для среды, заполняющей волновод. Дисперснониая зависимость в любом однородном волноводе определяется формулой о =с(е,п,) 'Р [1 — (Хю/Х„)з[ '~з, где ),р — критическая длина волны с учетом диэлектрического заполнения; Хэ — длина волны колебаний в вакууме. Соответственно длина волны в полом волноводе с Н- и Е-волнамн Для гибридных волн фазовая скорость зависит от частоты более сложным образом и расчет соответствующих дисперсионных характеристик производится на ЭВМ по специальным программам.
Дисперсия заметно влияет на частотные характеристики устройств, построенных на отрезках линий передачи, и должна приниматься во внимание при проектировании таких устройств. Коэффициент затухания. Распространение электромагнитной волны вдоль любой реальной линии передачи сопровождается ослаблением мощности бегущей волны по закону Р(5)=Р(0)е-~"', где Р(0) — мощность, переносимая бегущей волной через начальное сечение линии передачи; а — коэффициент затухания; $ — расстояние вдоль линии передачи в сторону движения волны. Затухание обусловлено неизбежным расходом части распространяющейся мощности на нагрев проводников и диэлектриков, а также на образование паразитного излучения.
Коэффцциент затухания принято выражать в логарифмических единицах — венерах на метр: и =051п[Р(0)/Р(1)! или децибелах на метр: а=1018[Р(0)/Р(1Ц. Между этими единицами существует очевидное соотношение: 1 дБ/мж 0,115 Нп/м или 1 Нп/м-8,68 дБ/м. Способы расчета коэффициента затухания в линиях передачи изучаются в электродинамике, Напомним, что наиболее употребительная формула для расчета коэффициента затухания (Нп/м) имеет следующий вид: а=Р~/2Р(0), где Р, — удельная мощность потерь на единицу длины линии передачи. Прн расчете удельной мощности потерь обычно полагают, что структура полей и распределение токов по поверхности проводников линии передачи сохраняются такими же, как и при отсутствии потерь.
На основании теории скин-эффекта глубина проникновения поли в проводник б (см) и удельное сопротивление квадрата поверхности проводника !г, (Ом) определяются формулами й=3,8 10 ')'!о/~ам~ У~. =0 045А 3~ р„/!ч~ (1.1) где и — отиосительиая магнитная проницаемость металла; Хе— длина олны генератора, см; А =) ' ос~/а — коэффициент, учитываюш отличие проводимости металла проводника от проводимости м (А=1 для меди; 0,98 для серебра; 1,35 для алюминия; 2,1 дл атуни; 1,2 для золота). Удельиую мощность потерь в проводниках линии передачи можно найти ~интегрированием элементарных потерь 0,5(У !з!г, по периметру Поперечного сечения проводников линии передачи, где 1 — поверхностная плотность электрического тока. Удельную мощность потерь в заполняющем диэлектрике рассчитывают обычно с использованием выражения для неискаженной структуры электрического поля Е в линии передачи путем интегрирования элементарных потерь 0,5(Е (зои„1й;бд по площади поперечного сечения диэлектрика (здесь е, и 1д бл — параметры диэлектрика, заполняющего данную часть линии передачи).
Возрастание частоты почти всегда приводит к увеличению коэффициента затухания. Существуют лишь редкие исключения из этого правила, например для волны типа Бо, в круглом волноводе. Коэффициент затухания из-за потерь и диэлектрике растет прямо пропорционально частоте в (при постоянном (дб„), а коэффициент затухания из-за потерь в проводниках увеличивается с ростом частоты более медленно — прямо пропорционально квадратному корню из частоты.
В полых волноводах коэффициент затухания, кроме того, зависит от соотношения между рабочей и критической частотами: при приближении рабочей частоты к критической наблюдается быстрое увеличение затухания и на критической частоте коэффициент затухания стремится к бесконечности. Максимальная пропускаемая мощность ограничивается электрическим пробоем или перегревом проводников и изоляторов линии передачи. При работе в импульсном режиме с высокой скважностью более опасен электрический пробой, а при передаче больших мощностей в непрерывном режиме возникает опасность и теплового разрушения линий передачи. Допустимую мощность в линии обычно принимают равной 25 — 30% от критической мощности, вызывающей пробой или перегрев в режиме чисто бегущей волны.
Примерно трехкратный коэффициент запаса учитывает возможное снижение электропрочности из-за влияния различных нерегулярностей и рассогласования тракта. При укорочении рабочей длины волны размеры поперечного сечения линии передачи приходится уменьшать, чтобы ие допустить распространения волн высших типов. Уменьшение поперечного сечения увеличивает концентрацию поля в линии передачи и вызывает соответствующее снижение пропускаемой мощности. При укорочении длины волны, кэк уже.отмечалось, возрастает коэффициент затухания, и в сочетании с затрудненным теплоотводом при меньшем поперечиом сечении это также уменьшает максимальную пропускаемую мощность из-за возможности перегрева.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
