Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

Диэлектрические волноводы представляют собой сплошные или по-

лые диэлектрические стержни, вдоль которых распространяются электромаг-

нитные волны путем отражения и преломления их на границе раздела ди-

электрик-воздух. Такие волноводы относятся к открытым линиям передачи,

поскольку поле существует как внутри, так и вне стержня. Для круглого стержня (рис. 2.10) продольные компоненты поля в области (внутри стерж-

ня) с волновым числом k1 и в области II (вне стержня) с волновым числом k2

находятся из решения уравнений (2.16) с учетом гранич-

решение которого позволяет найти постоянную распространения γ. Чтобы волна распространялась вдоль стержня, она должна иметь характер поверх-

ностной волны, т.е. χ2 должно быть мнимым ( χ22 < 0 ). При χ22 → 0 должно

па Е или Н может распространяться вдоль диэлектрического волновода, если частота колебаний f >f0n, где f0n имеет смысл критической частоты или ча-

стоты отсечки. Таким образом, в диэлектрическом волноводе может суще-

ствовать бесчисленное множество типов волн, причем каждый тип волны имеет свою критическую частоту; исключение составляет гибридная, т.е.

81

имеющая продольные составляющие как электрических, так и магнитных полей, волна типа НЕ11, не имеющая критической частоты. Структура поля этой волны приведена на рис. 2.11. Фазовая скорость волны в зависимости от радиуса стержня меняется от скорости света в окружающей среде до скоро-

сти света в среде, из которой выполнен стер-

жень.

Как видно из рисунка, электромагнитное по-

ле не ограничивается стенками стержня, а выхо-

Рис. 2.11. Поле волны НЕ11 в дит частично наружу. Это поле, связанное с

диэлектрическом волноводе.

внутренним полем стержня, движется вдоль его поверхности с фазовой скоростью, определяемой размерами стержня, ди-

электрической и магнитной проницаемостью стержня. Явление концентра-

ции энергии поверхностной волны над волноводной структурой используется в линиях поверхностных воли. Для уменьшения потерь можно вместо ди-

электрического стержня применять металлический стержень с диэлектриче-

ским покрытием пли так называемую периодическую структуру, например,

систему кольцевых канавок на металлическом стержне. Отрезки линий по-

верхностных волн широко используются в качестве элементов антенн бегу-

щей волны.

Диэлектрические волноводы находят применение для передачи сигналов в субмиллиметровом и оптическом диапазоне волн, где производство обычных металлических волноводов практически невозможно из-за очень малых по-

перечных размеров. В оптическом диапазоне такие волноводы, называемые световодами, представляют собой единичные волокна или пучки волокон.

Каждое волокно – это тонкая нить диаметром порядка 0,1 мм, изготовленная из специального стекла или полимера. Для уменьшения потерь на излучение,

т.е. для увеличения канализирующего действия световода, диэлектрическая проницаемость материала в поперечном сечении изменяется.

82

На рис. 2.12 приведены графики распределе-

ния коэффициента преломления в поперечном се-

чении световода и схемы распространения энер-

гии для двух случаев: а– двухслойное волокно, б–

градиентное волокно.

Электромагнитная волна, распространяющаяся по световоду, удерживается внутри сердцевины за счет полного внутреннего отражения на границе с

имеющей меньший показатель преломления оболочкой.

Передача энергии по световоду может производиться одним типом вол-

ны, чаще всего НЕ11 (одномодовый режим) или несколькими типами волн

(многомодовый режим). Для уменьшения потерь, а также для повышения надежности в оптических кабелях связи используют в качестве световода не моноволокно, а пучки из нескольких волокон. Чрезвычайно большая величи-

на частоты оптической несущей порядка 1014...1015 Гц, используемой в свето-

водах, открывает практически неограниченные возможности увеличения по-

тока информации по оптическим линиям передачи.

Коаксиальный фидер (коаксиал) относится к закрытым линиям пе-

редачи, в которых возможно распространение волн Т типа, и представляет собой металлический цилиндр диаметром d, расположенный соосно внутри металлической трубы с внутренним диаметром D. При отсутствии продоль-

ных составляющих поперечные компоненты поля удовлетворяют уравнениям Лапласа: Ñ2Е =0, Ñ2Н =0. В цилиндрической системе координат вследствие

ное поле будет иметь поперечную составляющую Нφ=Еr/W0 (W0 – волновое сопротивление среды, заполняющей коаксиал). Структура поля Т волны в ко-

аксиальном фидере показана на рис. 2.12. Для волны типа Т можно одно-

83

Погонные параметры линии можно определить, используя энергетические соотношения для бегущей вдоль линии волны. Средняя за период плотность энергии в бегущей Т волне равна

Эквивалентная схема идеальной линии с Т волной представлена на рис. 2.13а. В реальных линиях передачи существуют потери энергии в металле и в диэлектрике, заполняющем линию. Потери в металле можно учесть введени-

ем в эквивалентную схему погонного сопротивления R¢, а потери в диэлек-

трике введением погонной проводимости G′. Схема линии с потерями приве-

84

дена на рис. 2.13б.

Рис. 2.13. Эквивалентная схема линии передачи с Т волной.

При наличии потерь L′ и C′ становятся комплексными величинами:

волны в такой линии также становится комплексной

Потери мощности в металле определяются величиной R′=Rs/p, где p – пери-

метр проводника. Для коаксиала в качестве проводников обычно использу-

ются диамагнетики (μ =1), тогда погонное сопротивление равно

Учитывая, что мощность Р′, теряемая в проводах на единицу длины, равна

Эта функция имеет минимум при D/d 3,6. Для уменьшения αм следует уве-

личивать диаметры проводов, но при этом уменьшается верхняя граница ра-

бочего диапазона частот, т.к. при λ<π(D+d)/2 возможно появление волн высших типов.

85

Коэффициент затухания, обусловленный потерями в диэлектрике, опре-

αд= G′W0л/2. При наличии потерь ε% =εа(1– itgδ). Подставив в (1.30) и учиты-

вая, что у диэлектриков, используемых для заполнения фидеров tgδ<<1, по-

свободном пространстве. Погонный коэффициент затухания в диэлектрике равен

Полные потери в фидере равны сумме потерь в металле и потерь в диэлек-

трике, таким образом, α = αм+ αд и α′= α′м+ α′д. Потери можно характеризо-

вать коэффициентом полезного действия фидера ηф, который для фи-

дера, согласованного с нагрузкой, определяется соотношением ηф= Рн/Рвх=е–

разом, наличие потерь приводит к дополнительному уменьшению длины волны в фидере.

Предельная мощность в коаксиальном фидере, соответствующая началу электрического пробоя, определяется соотношением

86

где для воздуха Епред= 30 кВ/см. В зависимости от типа диэлектрика, геомет-

рических размеров и частоты колебаний затухание в коаксиальных линиях

колеблется в пределах от 0,005 до 1,5дБ/м, а рабочее напряжение — от 1 до

10 кВ.

Двухпроводная линия передачи относится к линиям открытого ти-

па, поскольку часть поля Т волны существует в пространстве, окружающем линию. Такая линия состоит из двух параллельных проводов диаметром d,

расположенных на расстоянии D<<λ друг от друга. Поперечное сечение и

и волновое сопротивление двухпроводной линии заполненной диэлектриком

(μ=1) равно

При D<5d следует учитывать эффект близости (неравномерность распреде-

Погонные параметры двухпроводной линии рассчитываются по формулам:

87

В открытых линиях кроме потерь в диэлектрике и металле существенную роль могут играть потери на излучение. Это обусловлено тем, что участок линии длиной l (при l<<λ) можно рассматривать как систему двух элементар-

ных противофазных излучателей, разнесенных на расстояние D. Если линия ориентирована вдоль оси z, то излучаемое участком линии поле равно разно-

сти полей Ее, излучаемых каждым элементарным излучателем:

Еθl=Ее(1– е–ikD cosφ) » iEеkDcosφ.

откуда коэффициент затухания на единицу длины линии за счет излучения составляет

Погонные коэффициенты затухания в диэлектрике и металле равны соответ-

ственно

Из (2.27) видно, что потери на излучение в открытых двухпроводных линиях очень быстро растут с увеличением частоты. Для передачи мощных сигна-

88

лов, когда расстояние между проводами должно быть более 0,1м, такие ли-

нии используются на частотах ниже 30 МГц. Уменьшить потери на излуче-

ние можно за счет уменьшения расстояния между проводами и перекрещи-

вания проводов через определенные промежутки, чтобы соседние участки линии излучали в противофазе. Эти приемы используются для передачи сла-

бых сигналов в двухпроводных линиях типа витая пара, полоса пропускания которых может достигать сотен МГц.

Полосковая линия представляет собой систему из двух или несколь-

ких металлических полос, вдоль которых распространяется электромагнит-

ная волна. Роль одной из этих полос может играть металлический экран. К

наиболее распространенным типам полосковых линий относятся [3]: симмет-

ричная полосковая линия (СПЛ), несимметричная полосковая линия (НПЛ),

щелевая линия (ЩЛ) и копланарная линия (КЛ). В большинстве случаев эти линии делаются в виде тонких металлических слоев (полосок и экран), нане-

сенных на диэлектрическую пластину (подложку). Поперечные сечения по-

лосковых линий передачи приведены на рис. 2.15.

В полосковых линиях распространяется волна, близкая к поперечной волне типа Т (квази Т-волна). Структура поля в поперечном сечении полос-

ковых линий показана на рис. 2.16. Расчет поля для определения погонных параметров полосковых линий достаточно сложен и обычно производится методом конформных отображений.

Рис. 2.16. КвазиТ-волна в полосковых линиях передачи: а) СПЛ, б) НПЛ, в) ЩЛ, г) КЛ.

С погрешностью не более 3% волновое сопротивление СПЛ может быть

89