Lektsia_13 (842125)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Лекция 13 Основные характеристики и согласование линийпередач. Элементы тракта СВЧ13.1 Основные характеристики линий передачи с волной типа ТВ открытой линии передачи нет замкнутого проводящего контура,охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Ктаким линиям относятся двухпроводные, многопроводные, полосковые линиипередачи, линии поверхностных волн и другие (см. рисунок 13.1).а)б)в)г)д)е)Рисунок 13.1 – Открытые линии передачи (поперечные сечениядвухпроводной (а), четырехпроводной (б), полосковой (в) линий; г —открытый диэлектрический волновод; д — спиральный волновод; е —ребристо-стержневой волновод)В линиях, изображенных на рисунке 13.1, фазовая скорость основноготипа волы (Т-волна) не зависит от частоты, при этом возможновозникновение волн типа Е и Н, которые являются высшими для данныхлиний передачи.

Основными электрическими характеристиками регулярнойлинии передачи являются:1. волновое сопротивление ρ (для Т-волн) или характеристическоесопротивление ZH,E (для Н и Е волн);2. фазовая скорость низшего типа волны VФ;3. вносимые потери α;4. предельная пропускаемая мощность Pпред;5. рабочий диапазон частот Δf.Выбор типа линии производится с учётом перечисленных основныххарактеристик, а также исходя из возможностей технологии, особенностейконструкции и требований к массогабаритным характеристикам.Часто основным требованием, определяющим выбор заданной полосычастот и типа линии, является необходимость обеспечения минимальныхпотерь.

Характеристики, приведенные в качестве примера на графике(рисунок 13.2), позволяют сравнить по этим параметрам коаксиальныйволновод, полосковую линию и полый волновод прямоугольного сечения.Всесравниваемыетипылинийработают на низшемтипеволны(коаксиальный и полосковый волноводы — на Т-волне, прямоугольныйволновод — на волне типа H10). При этом, поскольку одноволновый режимработыпрямоугольноговолноводаобеспечиваетсяневовсейпредставленной полосе частот, то на рисунке показаны три графика,отображающихзависимостьпотерьотчастотыдляпрямоугольныхволноводов с тремя разными размерами поперечных сечений (штриховыелинии на рисунке 13.2). Потери представлены в децибелах на длину волны.При построении данных зависимостей принимались следующие условия:коаксиальный волновод имеет волновое сопротивление 75 Ом при диаметревнутреннего проводника 1,27 мм, волновое сопротивление полосковой линии— 50 Ом; проводники, образующие волноводы, посеребрены, а пространствомежду ними заполнено воздухом.

Как можно видеть из приведенныхграфиков, наибольшими потерями из представленных типов волноводовобладает коаксиальная линия передачи, а наименьшими — прямоугольныйволновод в одноволновом режиме. Рассмотрим по порядку основныехарактеристики наиболее распространенных типов линий передачи.Открытая и экранированная двухпроводные линии представлены нарисунке 13.3. Эти типы линий передачи работают на Т-волнах иприменяются, в основном, в диапазонах низких, средних и высоких частот. Сдальнейшим повышением частоты растут потери, что в случае открытойдвухпроводной линии связано, главным образом, с увеличением потерь наизлучение.

Для обеспечения приемлемых величин этих потерь должновыполняться условие d   / 4 . В ряде случаев для уменьшения потерь, атакже снижения влияния помех на работу линии передачи, если она работаетв составе приемной системы, используют экранированные двухпроводныелинии (рисунок 13.3б).Рисунок 13.2 – Потери в коаксиальном (1), полосковом (2) и поломпрямоугольном (3) волноводаха)б)Рисунок 13.3 – Двухпроводная линия:(а — открытая; б — экранированная)Волновое сопротивление двухпроводной линии может быть рассчитанопо формулам: dln , Ом — для открытой линии;r a  d D 2  d 2 ,ln 22 r  a D  d Ом — для экранированной линии.(13.1)(13.2)В этих формулах εr — относительная диэлектрическая проницаемостьсреды,заполняющейпространствомеждупроводниками,остальныеусловные обозначения приведены на рисунке 13.3.Поперечноесечениекоаксиальноговолноводапредставленонарисунке 13.4.

Низшим типом является Т-волна, однако при определенныхусловиях возможно распространение и высших типов волн (H- и E-волны).При работе на Т-волне волновое сопротивление линии передачи этоготипа может быть определено по формулеd,lnr 2aОм.(13.3)Предельная передаваемая по волноводу мощность в этом случаерассчитывается с использованием следующего соотношения:Pпред D 2 2  r lnEпред 2a  , Вт.D2120    (1 )4  a2(13.4)Рисунок 13.4 – Коаксиальный волноводПорядок возникновения первых высших типов волн коаксиальноговолновода показан на рисунке 13.5.Рисунок 13.5 – Порядок возникновения первых высших типов волн вкоаксиальном волноводе (здесь c — скорость света, остальные условныеобозначения соответствуют приведенным на рисунке 13.4)Основным типом колебаний полосковых и микрополосковых линийпередачи (рисунок 13.6) также являются Т-волны.Волновоесопротивлениесимметричнойполосковойлинииопределяется выражением 8 2d    ln   a  , Ом.(13.5)Для несимметричной полосковой линии100(1 − )=(1 + )√Типовые характеристики полосковых линий следующие: d=1,5…3 мм,t=15…100 мкм, ρ=20…100 Ом.

Параметры диэлектрика, заполняющегопространство между проводниками: εr=2…7, tg δ=10-4…10-3.Микрополосковые линии часто применяются при построении СВЧмикросхем. При этом иногда на общей подложке приходится размещатьбольшое число различных СВЧ-цепей. Взаимосвязь между линиями,размещёнными на общей подложке, пренебрежимо мала, если расстояниемежду проводниками в 2-3 раза больше их ширины а (рисунок 13.7).а)б)Рисунок 13.6 – Поперечное сечение полосковой линии и структура силовыхлиний электрического поля в ней (а — симметричная линия; б —несимметричная линия)Рисунок 13.7 – Две полосковые линии на общей подложкеС целью уменьшения габаритов СВЧ устройств и интегральных схемразрабатываются щелевые и копланарные линии (рисунок 13.8), в которыхосновным типом колебаний являются замедленные H-волны.а)б)Рисунок 13.8 – Щелевая (а) и копланарная (б) линии и структуры поля в нихТакиелиниидопускаютпараллельноеипоследовательноеподключение сосредоточенных пассивных элементов и полупроводниковыхустройств, удобно сопрягаются с полосковыми линиями и коаксиальнымтрактом, могут быть использованы для создания невзаимных ферритовыхустройств.13.2 Основные соотношения теории длинных линийРассмотрим основные соотношения, описывающие работу линиипередачивсоставесистемыгенератор—линия передачи—нагрузка(рисунок 13.9).В общем случае в линии передачи распространяются две волны: прямая(от генератора) и обратная (отраженная от нагрузки).

В результатеинтерференции полей прямой и обратной волн образуется стоячая волна.Максимальное и минимальное значения напряжения стоячей волныопределяются следующими соотношениями:U m max  U mпр  U mобр ,(13.6)U m min  U mпр  U mобр ,(13.7)где Um пр, Um обр — амплитуды напряжений соответственно прямой и обратнойволн.Зададим комплексный коэффициент распространения волны в линиипередачи как γ=α+jβ, α – коэффициент затухания, β – коэффициент фазы.Распределение поля вдоль линии связано с коэффициентом отражениясоотношением( z ) U mобр e zU mобр ( z )U m пр e zU m пр ( z ),где U mпр ( z ) и U mобр ( z ) — комплексные амплитуды падающей и отражённойволн.Рисунок 13.9 – Схема, поясняющая образование стоячей волны в линиипередачиЕсли потери малы (коэффициент затухания   0 ), то( z ) U mобрU m пр.(13.8)Наряду с коэффициентом отражения используют вспомогательныевеличины, связанные с ним:— коэффициент стоячей волны по напряжению,KСВН U m maxU m min— коэффициент бегущей волны по напряжению,KБВН U m min KСВН 1U m max.Входное сопротивление линии в сечении, отстоящем от нагрузки нарасстояние z =-l (см.

рисунок 13.9), определяется соотношением:ZгдеZНВХ(l )  Z 0Z Н ch( l )  Z 0 sh( l ),общемслучае,Z 0 ch( l )  Z Н sh( l )– сопротивлениенагрузки(в(13.9)комплекснаявеличина);Z0 – волновое сопротивление линии.В линии без потерь (    ) соотношение (13.9) преобразуется к видуZгдеВХ(l )  Z 0Z Н  jZ 0tg (  l )Z 0  j Z Н tg (  l ),(13.10)  2 /  Л – коэффициент фазы или фазовая постоянная волны в линиипередачи;j – мнимая единица.Указанные величины связаны следующими соотношениями:1КСВН ЗдесьН1 ;1  КБВН1  КБВН ;Z Н  Z0;1  Н(13.11)1  ННZ Н  Z0Z Н  Z0.— коэффициент отражения от нагрузки линии передачи.(13.12)В пучности стоячей волны поляU mприU mобрсинфазны и,следовательно, коэффициент отражения, приведенный к пучности, являетсядействительной величиной ( ( zmax )   max ) иZ вх  Z 01  max Z 0 КСВН1   max.Таким образом, в пучности Z вх активно и в КСВН раз большеволнового сопротивления.

Соответственно, в узле (минимуме) стоячей волныZ вх также активно1   maxZ0Z вх  Z 01  max КСВН,но в КСВН раз меньше волнового сопротивления.Пользуясь приведенными соотношениями, рассмотрим некоторыечастные случаи нагруженной линии без потерь (    ).1 Короткозамкнутая линия ( Z Н, Н  1 ) работает в режиместоячей волны.

Входное сопротивление отрезка короткозамкнутой линииносит реактивный характер:ZСоответствующийрисунке 13.10а.ВХ(l )  jZ 0tg (  l ) .графикНапример,даннойвходное(13.13)зависимостисопротивлениеизображеннакороткозамкнутогоотрезка длиной l=λc/4 (здесь λc — длина волны в линии передачи) бесконечновелико( Z ВХ  ). Таким образом, данный отрезок эквивалентенпараллельному колебательному контуру, настроенному в резонанс, которыйпри отсутствии потерь имеет бесконечное сопротивление.а)б)Рисунок 13.10. Входное сопротивление короткозамкнутого (а) иразомкнутого (б) отрезков линии (значками индуктивности и емкости награфиках отмечен характер входного сопротивления в данном диапазонедлин отрезка, а последовательным и параллельным колебательнымиконтурами — сечения линии, в которых ее сопротивление активно)2 В разомкнутой линии ( Z Н , Н  1 ) также имеет место режимстоячей волны.

Входное сопротивление отрезка разомкнутой линии являетсяреактивным (см. рисунок 13.10б):ZВХ(l )   jZ0сtg (  l ) .(13.14)3 Линия, нагруженная на нагрузку, сопротивление которой равноволновому сопротивлению линии ( Z Н Z0 ), работает в режиме бегущейволны. Действительно,  Н  0 и входное сопротивление отрезка линии стакой нагрузкой (согласованной нагрузкой)Z ВХ  Z0 . Видно, что входноесопротивление не зависит от электрической длины отрезка линии.На основе приведенных примеров можно сделать следующие выводы.Во-первых, функцияZВХ(l ) является периодической и период ееравен λс/2.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов книги