Понятие о длинных линиях. Назначение, типы и параметры длинных линий. Волноводы.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ (ВЧ) ТРАКТ

 

«Длинными » линиями называются линии передачи, геометрическая длина которых l >>λ (λ – длина волны). На практике, если l = (3-5)λ, то линия считается «длинной».

Линии передачи (ЛП) – устройства, предназначенные для передачи энергии электромагнитных волн.

В настоящее время используются следующие типы ЛП:

двухпроводные открытые и экранированные;

коаксиальные;

прямоугольные и круглые волноводы;

полосковые волноводы.

В линии передачи независимо от ее типа процесс передачи электромагнитной энергии вдоль линии всегда имеет волновой характер.

 

Типы линий

 

Двухпроводные и коаксиальные линии

Двухпроводные (симметричные) линии могут выполняться как в открытом, так и в экранированном варианте. Конструкции открытых (неэкранированных) фидеров даны на рис. 3.2.1, экранированных — на рис. 3.2.2.

В настоящее время открытые фидеры используются в основном для питания симметричных связных длинноволновых, средневолновых и коротковолновых антенн. Открытый фидер крепится либо на жестких изоляторах, либо фиксируется при помощи оттяжек с изоляторами.

Коаксиальный (несимметричный) фидер может быть жестким или гибким. В жестком коаксиальном фидере (рис.3.2.3) внутренняя жила крепится на диэлектрических шайбах (рис.3.2.3,а ) или на металлических изоляторах (рис.3.2.3,б). Последние представляют собой замкнутые накоротко отрезки фидера с электрической длиной lиз= λ/4. Сопротивление поддерживающего отрезка (изолятора) можно рассчитать по формуле [19]

Zвх.из=4ρ²/βλ, (3.2.1)

где β - коэффициент затухания для фидера изолятора, ρ – волновое сопротивление.

Так как ρ >> βλ, то Zвх.из >>ρ и изолятор практически не шунтирует основной фидер.

Гибкий коаксиальный фидер состоит из гибкой наружной, металлической оплетки и внутреннего провода, поддерживаемого изоляторами. Чаще всего изоляция выполняется в виде сплошного заполнения диэлектриком типа полиэтилена.

 

 

Рис.3.2.1 Рис.3.2.2

 

 

Рис.3.2.3

 

Полосковые линии

Полосковые линии применяются обычно в схемах СВЧ приемников и выполняются методами печатного монтажа. Достоинство этих линий — хорошая технологичность и малые габариты. Они легко сочленяются с коаксиальными и волноводными линиями. Недостаток — малая электрическая прочность и довольно большие потери.

Применяются несимметричные (рис. 3.2.4, а) и симметричные (рис.3.2.4, б) полосковые линии.

 

 

 

Рис.3.2.4

 

Волноводы

Волновод – это полая металлическая труба, используемая для передачи электромагнитных волн. В качестве волновода можно использовать трубу с любой формой поперечного сечения. Конструктивно более удобны прямоугольные волноводы. Круглые волноводы используются чаще всего там, где необходима осевая симметрия волновода (например, во вращающихся сочленениях). Вдоль волновода могут распространяться колебания, если их длина волны λ меньше некоторой критической длины волны λкр.

Значения λкр определяется поперечными размерами и типом колебания, распространяющегося в волноводе. Чем меньше поперечные размеры и чем сложнее картина поля колебания, тем меньше критическая длина волны.

Применение – для передачи волн дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Параметры двухпроводных и коаксиальных линий

 

Основными параметрами этих линий являются: волновое сопротивление ρ; длина волны в линии λл; коэффициент укорочения ξ= λ/ λл; допустимое напряжение Uдоп; коэффициент затухания β.

Напряжения и токи в линии передачи

От генератора к нагрузке распространяется падающая волна. В длинной линии с потерями амплитуда падающей волны убывает в сторону нагрузки (рис.3.2.5). Если нагрузка не согласована, то часть мощности отражается и возникает отраженная волна (рис.3.2.6).

 

 

Рис.3.2.5

 

 

Рис.3.2.6

 

Режимы в линии передачи без потерь

 

Режим бегущих волн

Если нагрузка согласована с ЛП и полностью поглощает падающую на нее мощность, то отраженной волны не будет и в линии установится режим бегущих волн. Амплитуды напряжения (тока) вдоль линии остаются постоянными ( рис.3.2.7). Меняется только фаза колебания вдоль линии.

 

Рис.3.2.7

Режим стоячих волн

Если нагрузка не рассеивает активную мощность и полностью отражает падающую волну, то амплитуда отраженной волны будет равна амплитуде падающей.

В точках, где фазы напряжений падающей и отраженной волн совпадают, амплитуда результирующей волны удваивается. Указанные точки отстоят одна от другой на расстоянии равном λ/2. Амплитуда тока в этих сечениях равна нулю.

Аналогично для точек, где фазы напряжений падающей и отраженной волн противоположны, результирующая амплитуда напряжения равна нулю Uмин = 0, аамплитуда тока имеет максимальное значение Iмакс= Uмакс / ρ.

Таким образом, результирующее напряжение и ток в случае полного отражения (коэффициент отражения |Г| = Uотр / Uпад=1) представляют картину стоячих волн с узлами и пучностями (рис. 3.2.8).

I

 

Рис.3.2.8.

Смешанный режим

Если нагрузка на конце линии часть мощности поглощает, а часть отражает, то значение модуля коэффициента отражения находится в пределах 0<|Г|<1.

Получившийся режим (рис. 3.2.9)—промежуточный между режимом бегущих и стоячих волн. Сечения максимумов и минимумов называются характерными сечениями. В сечениях, где амплитуда напряжения максимальная, амплитуда тока минимальна, и наоборот. Расстояние между двумя соседними максимумами (минимумами) ΔZ= λ/2.

 

Рис.3.2.9.

Характеристики режима в ЛП

Режим принято характеризовать значениями коэффициента отражения Г, коэффициента бегущей волны КБВ. Коэффициент бегущей волны численно равен отношению минимальной амплитуды напряжения (или тока) к максимальной.

Величина, обратная КБВ, называется коэффициентом стоячей волны- КСВ.

Указанные параметры, а также величина выходной мощности измеряются в станциях помех в целях контроля состояния антенно – фидерного тракта.

Входное сопротивление линии в сечении Z - это сопротивление линии длиной l –z, нагруженной на сопротивление Zн.