- •К.С.Лялин, д.В.Приходько Электродинамика свч
- •Введение
- •Часть I. Теория электромагнитного поля.
- •§1.1. Уравнения Максвелла, как метод описания электромагнитного поля в однородных средах.
- •§1.2. Электромагнитные поля в различных средах и граничные условия электродинамики.
- •Общий случай границы раздела сред.
- •Граница раздела диэлектриков.
- •Поле на поверхности идеального электрического проводника («электрическая стенка»).
- •Поле на поверхности идеального магнитного проводника («магнитная стенка»).
- •Поле на бесконечности («условие излучения»).
- •§1.3. Энергия электромагнитного поля. Теорема Умова-Пойнтинга.
- •§1.4. Излучение электромагнитных волн. Волновые уравнения. Электродинамические потенциалы и векторы Герца.
- •§1.5. Понятие о зонах излучения и диаграмме направленности источника электромагнитных волн
- •Понятие о диаграммах направленности
- •Поляризационные характеристики поля
- •§1.6. Элементарные излучатели Электрический вибратор
- •Магнитный вибратор
- •Элемент Гюйгенса
- •§1.7. Электромагнитные волны: плоские, сферические, цилиндрические – решения волнового уравнения
- •Плоские волны
- •Сферическая волна
- •Цилиндрическая волна
- •Особенности распространения волн в различных средах
- •§1.8. Отражение плоской волны от границы раздела сред. Нормальное падение
- •Общие соотношения
- •Среды без потерь
- •Проводник с конечной проводимостью.
- •Идеальный проводник.
- •Понятие о поверхностном сопротивлении. Скин-эффект.
- •§1.9. Отражение плоской волны от границы раздела диэлектриков при произвольном угле падения
- •Параллельная поляризация
- •Перпендикулярная поляризация
- •Полное отражение и поверхностные волны.
- •§ 1.10. Важные теоремы
- •Принцип взаимности
- •Метод зеркальных отображений
- •Часть II. Теория линий передачи
- •§ 2.1. Применение теории цепей для анализа линий передачи
- •Волны напряжений и токов в линии передач
- •Линия передачи без потерь
- •§2.2. Применение теории электромагнитного поля для анализа линий передачи
- •Параметры линии передачи
- •Вывод телеграфных уравнений из уравнений Максвелла для коаксиальной линии
- •§2.3. Обобщенная линия передачи без потерь. Трансформация полного сопротивления и коэффициента отражения вдоль линии передачи
- •Короткое замыкание на конце линии
- •Холостой ход на конце линии
- •Полуволновый повторитель и четвертьволновый трансформатор
- •Соединение линий передачи с различными характеристическими сопротивлениями
- •§ 2.4. Диаграмма Смита
- •Диаграмма полных проводимостей.
- •Методика измерения полного сопротивления
- •§2.5 Понятие о согласовании сопротивлений
- •§2.6. Согласование посредством сосредоточенных параметров
- •Согласующие цепи на реактивных элементах
- •§2.7. Четвертьволновый трансформатор сопротивлений
- •§2.7. Многосекционные трансформаторы
- •Биномиальный многосекционный трансформатор
- •Многосекционный трансформатор Чебышева
- •§2.8. Шлейфные трансформаторы сопротивлений
- •Одношлейфовый трансформатор
- •Двухшлейфовый трансформатор
- •§2.9. Обобщенная линия передачи с потерями
- •Линия с низкими потерями
- •Линия передачи сигналов без искажений
- •Параметры нагруженной линии с потерями
- •Применение метода возмущений для определения постоянной затухания
- •Часть III. Электромагнитные волны в направляющих системах
- •§3.1. Классификация линий передачи и их основные характеристики
- •§3.2. Общая теория регулярных линий передачи произвольного поперечного сечения. Поперечные и волноводные волны.
- •Поперечные (tem) электромагнитные волны
- •Волноводные волны h- и e-типов
- •Влияние затухания в диэлектрике
- •§3.3. Двухпластинчатый волновод
- •Поперечные tem-волны
- •§3.3. Прямоугольный волновод
- •§3.4. Круглый волновод
- •§3.5. Двухпроводная линия передачи
- •§3.6. Коаксиальная линия передачи
- •Поперечные tem-волны
- •Высшие типы колебаний
- •§3.7. Поверхностные волны в металлизированной с одной стороны диэлектрической подложке
- •§3.8. Полосковые и микрополосковые линии передачи
§3.1. Классификация линий передачи и их основные характеристики
Линии передачи служат для направления энергии электромагнитной волны от источника (генератора СВЧ энергии) к потребителю, например, от передатчика к антенне, от приемной антенны к входу приемника и т.д. Линии передачи называют также направляющими системами, а электромагнитные волны, распространяющиеся по ним, - направляемыми, в отличие от свободно распространяющихся в пространстве волн.
На рис.3.1 изображены наиболее часто применяемые на практике линии передачи: коаксиальная (а), двухпроводная (б), полосковая (в), микрополосковая (г) и щелевая линии (д), а также копланарный волновод (е), волноводы прямоугольной (к), круглой (з), П- и Н-образной форм (и, к), круглый открытый диэлектрический волновод (л).
Линии передачи можно разделить на два больших класса: открытые линии (б - е, л) и закрытые, или экранированные линии (а, ж - к). В закрытых линиях энергия волны сосредоточена в пространстве, ограниченном металлической оболочкой. В открытых линиях почти вся энергия сосредоточена в непосредственной близости от направляющих проводников или границы раздела сред. Открытые линии подвержены влиянию внешних факторов и, в частности, климатических условий.
По характеру направляемых волн различают линии передачи:
1) с TEM-волной (рис.3.1 а, б, в), которая имеет только поперечные компоненты
2. Линии с волноводными E(TH)- или H(TE)-волнами (рис.3.1,ж,з), - электрические волны (E-волны); - магнитные волны (H-волны). Волны E- или H-типа распространяются в полых волноводах или в волноводах полностью заполненных однородным диэлектриком.
3. Линии с гибридными или смешанными волнами: либо , где - волновое сопротивление среды. Такие волны могут существовать, например, в волноводах, частично заполненных по сечению диэлектриком.
Рассмотрим основные технические характеристики линии передачи.
Рабочий диапазон частот (диапазонность) - интервал частот, в котором происходит передача электромагнитной энергии с допустимыми потерями без возникновения высших (нерабочих) типов волн. Этот диапазон называется полосой одноволнового режима.
КПД и вносимые потери. Для оценки эффективности линии передачи вводятся коэффициенты передачи по мощности и напряжению .
,
где - КПД линии передачи, равный отношению мощности в нагрузке к мощности на входе линии передачи; - коэффициент отражения по мощности. Если линия согласована , то коэффициент передачи совпадает с КПД, который в этом случае принимает максимальное значение:
,
где l - длина линии передачи; - коэффициент затухания по полю ( - коэффициент затухания по мощности).
Вносимое затухание вызывают следующие виды потерь:
-
джоулевы потери в металлических проводниках линии;
-
диэлектрические потери при наличии диэлектрика в линии;
-
потери на излучение (в случае открытой линии, а также при условии не плотного сочленения волноводов);
-
потери, связанные с преобразованием одного типа волны в другой, которые проявляются в сравнительно протяженной линии передачи, где в качестве рабочей волны выбрана волна высшего типа (а не основная волна);
-
поляризационные потери, обусловленные, например, одновременным распространением двух ортогонально поляризованных волн.
Под электрической прочностью линии передачи понимают допустимый уровень мощности , переносимой рабочей волной. Обычно , где - предельная мощность, соответствующая мощности, передаваемой по линии передачи в режиме чисто бегущей волны, при которой в какой-либо точке поперечного сечения линии напряженность электрического поля достигает пробивного (предельного) значения ; - коэффициент запаса электрической прочности, . Он учитывает местные неоднородности, увеличивающие концентрацию электрического поля в линии, а также наличие отраженных волн и ряда факторов, влияющих на . К последним относятся: климатические факторы (давление и температура газа, заполняющего линию передачи), состояние ионизации, скважность передаваемых импульсов, порядок несущей частоты и др.
Габариты и вес чрезвычайно важные характеристики при проектировании линий передачи, особенно линий, используемых в бортовых устройствах, а также в микроэлектронике.
Технические требования, предъявляемые к линиям передачи
-
обеспечивать передачу энергии в заданном диапазоне частот на каком-либо одном типе волны;
-
иметь по возможности максимальный коэффициент передачи (обычно не ниже 0.7);
-
обладать достаточной электрической прочностью, обеспечивающей надежную передачу требуемой мощности без искрений, пробоя, а также без перегрева изоляторов или других элементов тракта;
4) иметь по возможности минимальные габариты, вес, надежное сочленение отдельных участков высокочастотного тракта, удобную сборку и демонтаж, а также простую и технологичную конструкцию.