Глава IV

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

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.

4.1. НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКИ В ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Рис. 4.1.- График напряжения падающей волны в линии-

?

От генератора к нагрузке распространяется падающая волна. В длинной линии с потерями амплитуда падающей волны убывает в сторону нагрузки (рис. 4.1). Если нагрузка

несогласована, то часть мощности отражается и возникает отраженная волна (рис. 4.2).

(4.1а)

Выражения для мгновенных значений напряжений падаю­щей и+ и отраженной и~ волн в линии передачи:

и+ = и$е-** соз (©/ — 02?), и- = (У-^'соз (о>/ + лг + ф),

где —амплитуды падающей и отраженной волн в

начале линии (при 2=0); г— координата точки линии; - а)— круговая частота колебаний;

а = — коэффициент фазы; он характеризует раз­ность фаз колебаний бегущей волны в точках, отстоящих одна от другой на единицу длины; Р— коэффициент затухания;

(4.16)

(4.2а) (4.26)

к = 4- I = 1+ +

ф— угол, учитывающий фазовый сдвиг на нагруз­ке и запаздывание при прямом и обратном распространении волн.

Рис. 4.2. График напряжения отраженной волны в линии Для волн тока:

/+ = -у- е ^?г соз — аг), I- = — -у- соз (»*+ аг + -1»),

где р — волновое сопротивление.

Результирующее напряжение и ток в линии представляют наложение (суперпозицию) мгновенных значений падающей и отраженной волн напряжения и тока:

Последнее уравнение, преобразованное с учетом (4.1а) и (4.16), записывается так:

(4.3)

Аналогичными по структуре соотношениями описывается распространение поперечных компонент электрического и магнитного полей во всякой линии передачи, в том числе и в волноводе.

В комплексной форме результирующие напряжение и ток в линии записывают следующим образом:

и = 0 (г) I = 1 (г) е*^ш\ (4.4)

где 0(г) и 1(г)—результирующие комплексные амплитуды; 0(г) = 0+(г) + 0~(г), 1 (г) = I + (г) + Г (г) = ±- [0+ (г) - &Г (г)]. (4.5)

Коэффициент отражения

Комплексный коэффициент отражения

р = У + = (4.6)

характеризует соотношение амплитуд падающей и отражен­ной волн и сдвиг фаз этих колебаний в рассматриваемой точ*

ке. В формуле (4.6) —комплексный коэффициент

отражения в сечении 2<>. Значение модуля (/?о) лежит в пре­делах

0<|Л|<1, (4-7)

так как амплитуда отраженной волны не может быть боль­ше амплитуды падающей волны.

Множитель е²*^г характеризует изменение амплитуд при прямом и обратном прохождении от рассматриваемого сече­ния до нагрузки. Множитель е*^2лг характеризует изменение фазы по сравнению с фазой коэффициента отражения в се­чении г₀.

4.2. РЕЖИМЫ В ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ БЕЗ ПОТЕРЬ

На коротких участках ЛП длиной в несколько волн при построении картины режимов потерями можно пренебречь, считать коэффициент затухания р «0 и пользоваться для

123

описания режимов такими же соотношениями, как и в линиях без потерь. Режим зависит от соотношения амплитуд падаю­щей и отраженной волн, т. е. от модуля коэффициента отра­жения \р\. Положение максимумов и минимумов опреде­ляется фазой коэффициента отражения.

Режим бегущих волн

Если нагрузка согласована с ЛП и полностью поглощает падающую на нее мощность, то отраженной волны не будет (р —0) и в линии установится режим бегущих волн.

Рис. 4.3. Распределение амплитуд в ли­нии для режима бегущих волн

Амплитуды напряже­ния (тока), как это вид­но из (4.5), вдоль ли­нии остаются постоянны­ми (рис. 4.3). Меняется только фаза колебания вдоль линии.

Режим стоячих волн

Если нагрузка не рас­сеивает активную мощ­ность и полностью отра­жает падающую волну, в этом случае 1, т. е. ампли­туда отраженной волны будет равна амплитуде падающей. В точках, где фазы напряжений падающей и отраженной волн совпадают, коэффициент отражения р является вещест­венной величиной. Поскольку \р \ =1, в этих точках ампли­туда напряжения равна

= (4.8)

Указанные точки отстоят одна от другой на расстоянии

В соответствии с (4.5) в этих сечениях амплитуда тока

Лпш = 0. (4.9)

Аналогично для точек, где фазы напряжений падающей и отраженной волн противоположны, результирующая ампли­туда напряжения равна нулю

^ин = 0, (4.10)

а амплитуда тока имеет максимальное значение

/макс = 2/+ = -^. (4.11)

Таким образом, результирующее напряжение и ток в случае полного отражения (при |/*|=1) представляют картину стоячих волн с узлами и пучностями (рис. 4.4).

V I

Рис. 4.4. Распределение амплитуд в линии для ре­жима стоячих волн

Смешанный режим

Если нагрузка на конце линии часть мощности поглощает, а часть отражает, то значение модуля коэффициента отра­жения находится в пределах

0<|р|<1. (4.12)

Получившийся режим (рис. 4.5)—промежуточный между режимом бегущих и стоячих волн. Сечения^л максимумов и

Рис. 4.5. Распределение амплитуд в линии для режима смешан­ных волн

минимумов называются характерными сечениями. В сече­ниях, где амплитуда напряжения максимальная, амплитуда тока минимальна, и наоборот. Расстояние между двумя со­седними максимумами (минимумами) Дг=-2".

Характеристики режима в ЛП

Режим принято характеризовать значением коэффициен­та бегущей волны /С_БВ. Коэффициент бегущей волны числен­но равен отношению минимальной амплитуды напряжения (или тока) к максимальной, т. е.

К У^мин А«ии (л 1

^Аьв — 77 — •

«-'макс 'макс

Величина, обратная К_ъв, называется коэффициентом стоя­чей волны /Сев:

(4.14)

Между /Сев и величиной \р\ существует связь, вытекаю­щая из соотношений (4.5):

1 -- 1 ^Рр ! • С⁴'¹⁵)

Для режима бегущих волн 1р1 = О, /С_БВ=1, /(_св = 1.Для режима стоячих волн |р| = 1, /С_БВ = 0, К_св — оо. В режиме смешанных волн 0<\р\ < 1, 0</(_БВ<1,

Входное сопротивление отрезка линии

Входное сопротивление 2(г) линии в сечении г — это со­противление линии длиной / — г, нагруженной на сопротив­ление

₌ (4.16)

Приведенное (нормированное) сопротивление

*(«)—(4.17)

Для произвольно выбранного сечения 2(г)—комплекс­ная величина.

В сечениях максимума напряжения (минимума тока) ве­личина р= Следовательно,

^гывкс ⁼ I * ⁼ ^СВ> (⁴-¹⁸)

т. е. является вещественной величиной.

Аналогично в сечениях минимума напряжения (максиму­ма тока) величина — \р\ и в этих сечениях

⁼ 1 + \р \ (4.19)

Следовательно, во всех характерных сечениях входное сопротивление линии является активным, тогда как в прочих сечениях оно имеет комплексный характер.

126

4.3. КРУГОВАЯ ДИАГРАММА ДЛИННЫХ ЛИНИЯ (ДИАГРАММА ВОЛЬПЕРТА)

Круговая диаграмма Вольперта (рис. 4.6) представляет собой кривые постоянных значений приведенного активно­го /?' и реактивного X' сопротивлений, построенные на пло­скости комплексного коэффициента отражения

(4.20)

Кривые /?^, = соп51=/(«7, V) и Х^, = соп51 = /⁷(1^_э V) пред­ставляют семейства окружностей.

На этой же диаграмме нанесены кривые постоянного зна­чения

К_св = сопз! и 2! = -у- = сопз!.

Эти два семейства совместно с окружностями /?'=сопз{ и Л^сопб! дают круговую диаграмму (рис. 4.6).

При помощи диаграммы можно по заданному режиму в линии определять сопротивления в различных ее сечениях и, наоборот, по известному сопротивлению нагрузки определять режим. Вследствие того что диаграмма построена с исполь-

X 2

зованием относительных величин /?'=—, X' =—, г' = -г-^

р р ^к »

а также безразмерной величины /Сев» она оказывается уни­версальной и может быть использована для расчетов в ли­ниях передачи любых типов.

На этой диаграмме окружности /Ссв=1 (или / /7/ = 0), т. е. режиму согласования соответствует центральная точка. Окружность, соответствующая /Ссв^⁰⁰» т. е. режиму стоячих волн — внешняя окружность. Промежуточные значения /Сев не наносятся, чтобы не усложнять диаграмму. Значение /Сев можно считать с кривых /?'=соп51 в месте их пересечения с вертикальной осью (осью вещественных величин). Верхняя

часть оси вещественных величин со­ответствует сечениям минимума на­пряжения (максимума тока). На этой линии Х^, = 0 и Л^/ = /Сбв<1. Нижняя часть оси вещественных величин соответствует сечениям максимумов напряжения (миниму­мов тока). На этой линии ^' = 0 и /?' = /Ссв> 1. Слева располагаются дуги окружностей— Л^сопб*, спра­ва— дуги окружностей Л^сопб!.

Пример. Задано 2.'_п = Д'_н + у Х_н. Определить К_св и положение ближайше­го минимума относительно нагрузки.

Порядок решения поясняется схемой рис. 4.7.

1. На диаграмме находятся кривые Я_н и Хц. Точка их пересечения опреде­ляет положение полного сопротивления на плоскости комплексного р.

2. Концентрическая окружность, проходящая через эту точку, опре­деляет значение К с в • Значение К_СВ ⁼ ^макс считывается в месте пе­ресечения этой окружности с линией максимумов.

3. Приведенное расстояние от нагрузки до ближайшего минимума соответствует отсчитанному против часовой стрелки углу между радиаль­ной линией, проведенной через точку и линией минимумов. Оцифров­ка значений приведенной длины нанесена на внешней окружности диаграммы (рис. 4.6).

4.4. СОГЛАСОВАНИЕ НАГРУЗКИ С ЛИНИЕЙ

Рис. 4.7. Определение при помощи круговой диаграм­мы величины Кс в в линии по заданному сопротивле­нию нагрузки

Если нагрузка линии не равна волновому сопротивлению, в линии, как указывалось, наряду с падающей появляется отраженная волна. Чем больше |р\, тем больше амплитуда отраженной волны и тем ближе режим в линии к режиму стоячих волн. За счет отраженной волны увеличиваются по­

тери, появляются перенапряжения, что снижает электриче­скую прочность линии, усиливается зависимость входного сопротивления от частоты.

Чтобы устранить отраженную волну, вблизи нагрузки по­мещают согласующее устройство (рис. 4.8).

«С9*¹

II

Кг)* V* 1-—-

Согласующее —зи, _{7 ±ии} устройстве р "

Рис. 4.8. Схема размещения согласующего устройства в линии

передачи

Параметры согласующего устройства подбирают так, чтобы оно трансформировало сопротивление нагрузки в вол­новое сопротивление, т. е. чтобы входное сопротивление устройства было равно волновому:

г_вх = _Р, т. е. \ или = т. е. У'_вх = 1. (4.21)

В этом случае на линии левее согласующего устройства будет существовать режим чисто бегущих волн.

Согласующее устройство не должно вносить потерь, сле­довательно, оно должно представлять реактивный четырех­полюсник.

В качестве согласующих устройств используются чаще всего четвертьволновые трансформаторы и реактивные шунты.

4.5. ДВУХПРОВОДНЫЕ И КОАКСИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ

Двухпроводные (симметричные) линии могут выполняться как в открытом, так и в экранированном варианте. Конст­рукции открытых (неэкранированных) фидеров даны на рис. 4.9, экранированных — на рис. 4.10.

В настоящее время открытые фидеры используются в ос­новном для питания симметричных связных длинноволновых и средневолновых 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. 4.11) внутренняя жила крепится на диэлектрических шайбах или на металлических изоляторах. Последние пред-

Ь-2К

Рис. 4.10. Конструкция симметричных двух­проводных экранированных линий:

а —с круглым экраном; б — с ленточными про­водниками

Рис. 4.9. Конструкция сим­метричных двухпроводных неэкранированных линий

ТТ

ж

ш

1		1 \гг
1 *г	1	Г
	1-Г—

Рис. 4.11. Конструкция коаксиальных ка­белей:

а — с изоляторами в виде шаАб; б — с металли­ческими изоляторами

ставляют собой замкнутые накоротко отрезки фидера с элек­трической длиной /_из= -у-. Сопротивление поддерживающего отрезка (изолятора) можно рассчитать по формуле

^вх. из⁼ » (4.22)

где р— коэффициент затухания для фидера изолятора,

Так как р рХ, то ^„х.из^ Р ^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.

Параметры двухпроводных и коаксиальных линий

Основными параметрами этих линий являются:

• волновое сопротивление р;

• длина волны в линии Х_л;

• коэффициент укорочения ? =

• допустимое напряжение (У_доп1

• коэффициент затухания р. Двухпроводный кабель:

• волновое сопротивление

где й—расстояние между проводами; г—радиус проводов;

г_г—относительная диэлектрическая проницаемость ди­электрической оболочки; для воздушного кабеля

бг= 1;

• допустимое напряжение воздушного кабеля

где

^„р._я = 4,6Е_прпг [см] 1_ё ±, 5_пред = 30 ^; (4.25)

к=2-5-3 — коэффициент запаса по электрической прочности;

• коэффициент затухания для типовых воздушных кабе­лей в метровом диапазоне

р = (0,01-г-0,04) Ц-. (4.26)

Коаксиальный кабель:

• волновое сопротивление

138 , я

• (4.27)

  допустимое напряжение воздушного кабеля

пред

и

доп '

(4.28)

где

^пред = 2,3 Е_прел г [см] 1_е —.

Длина волны в кабеле с диэлектрическим заполнением рассчитывается по формуле

(4.29)

300

где X = /\мгц\ —^длина волны в свободном пространстве в м. Соответственно коэффициент укорочения

\ = ут_г (4.30)

Для кабеля с диэлектрическими шайбами

6 =1,01-5-1,05. (4.31)

Таблица 4.1

Уч

Электрические характеристики гибких коаксиальных кабелей

Тип кабеля

Волновое сопротивле­ние, ом

Затухание при /=100 Мгц

Рабочее напряже­ние, кв

Внешний диаметр, мм

1:5 1

5,5 3,0 4,5

0,113 0,2 0,05 0,08 0,13 0,07 0,11 0,09

РК-29

РК-19

РК-6

РК-47

РК-49

РК-3

РК-1

РК-2

50 52 52 52 72 75 77 92

9,8±0,5 4,2±0,2 12,4±0,6 Ю,3±0,5 6,9±0,3 13,0±0,7 7,3±0,4 9,6±0,5

4.6. 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. Всякий волновод является своеоб­разным фильтром верхних частот, и вдоль волновода могут распространяться колебания, если их длина волны меньше некоторой критической волны Х_кр:

Х<Х_кр. (4.32)

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

Обычно Х_кр имеет тот же порядок, что и поперечный раз­мер волновода, поэтому волноводы целесообразно приме­нять для передачи волн дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

В любом волноводе устанавливается такая картина поля, при которой на стенках волновода касательная составляю­щая электрического и перпендикулярная составляющая маг­нитного полей равны нулю.

Вдоль полой трубы могут распространяться поперечно- электрические колебания с продольной составляющей Н_г маг­нитного поля, которые называют волнами типа ТЕ (или вол­нами Н), а также волны поперечно-магнитные с продольной составляющей Е_г электрического поля. Последние называют волнами типа ТМ (или волнами Е).

Волна, которая будет распространяться в волноводе одна, без примеси других волн, называется основной волной волно­вода, а прочие называются волнами высших типов.

Для основной волны

"кр. осн > ^чкр. высш' (4.33)

Обычно волновод должен работать на основной волне без примеси высших волн. С этой целью размеры волновода вы­бираются так, чтобы выполнялось неравенство

'^чкр. осн "кр. высш¹ (4.34)

Длина волны Х_в в волноводе для выбранного колебания равна

, , =. (4.35)

У-Ф"

С увеличением X длина волны Х_в растет. При X—*Х_кр вели­чина Х_в—что указывает на прекращение распростране­ния по волноводу рассматриваемого типа колебания. Фазо­

вая скорость Ьф волны в волноводе, характеризующая дви­жение картины поля вдоль волновода, равна

к-(*)■

Она всегда больше скорости света, т. е. Vф>с. В то же время скорость переноса энергии

(4.37)

и оказывается всегда меньше скорости света, т. е. о_э<с.

Если для выбранного типа колебаний условие Х<Хкр вы­полняется, то в волноводе в зависимости от характера на­грузки могут существовать режимы бегущих, стоячих и сме­шанных волн.

4-7. прямоугольный волновод