Баранов С.А. Лекции по антеннам радиосистем
Подождите немного. Документ загружается.
81
Ζ−−
⋅
=
⋅
=
2
αα
Z
eP(0)P(Z)eU(0)U – процесс прохождения бегущей волны,
сопровождающийся потерями.
м)1P(Z
0)P(Z
10lg
м)1U(Z
0)U(Z
20lg
м
Бд
α
=
=
=
=
=
=
м)1P(Z
0)P(Z
0,5lg
м)1U(Z
0)U(Z
ln
м
Нп
α
=
=
=
=
=
=
м
дБ
8,7
м
Нп
1 ≅
α
=
α
д
+
α
м
+
α
изл
–
обычно
полагают
,
считая
что
структура
поля
при
наличии
потерь
такая
же
как
и
без
потерь
.
α
д
~tg
δ
–
потери
на
нагрев
диэлектрика
;
α
м
~Rs –
потери
на
нагрев
поверхности
металла
;
α
изл
–
только
для
открытых
линий
.
Обычно
α↑
при
f
↑
(
за
редким
исключением
,
например
,
Н
01
в
круглом
волноводе
).
г
)
Пропускаемая
мощность
Линия
должна
без
пробоев
и
искрений
передавать
мощность
,
которая
определяется
электрическим
пробоем
и
недопустимым
перегревом
элементов
конструкции
F(S)S
2W
E
dS*H,E
2
1
dS
П
P
0
2
SS
⋅=
∫
=
∫
=
&
r
&
r
&
r
где
S –
площадь
поперечного
сечения
;
F(S) –
функция
распределения
поля
по
поперечному
сечению
.
Е
кр
=3·10
6
В
/
м
=3·10
4
В
/
см
–
значение
напряжения
пробоя
в
сухом
воздухе
при
нормальном
давлении
.
2
8
0
2
см
МВт
1,2
2
см
Вт
240π
109
W
E
2
1
dS
dP
dSHE
2
1
dP ≈
⋅
≈⋅=⋅⋅=
–
мощность
,
допускаемая
в
свободном
пространстве
P
доп
=P
max
·N, N
≈
0,25÷0,3 –
коэффициент
запаса
.
д
)
Волновое
сопротивление
–
это
вторичная
вспомогательная
характеристика
,
использующаяся
для
определения
режимов
в
линии
.
Определяется
1.
через
напряжение
и
ток
ρ
U,I
=120
π
ε
µ
F(S),
где
F(S) –
функция
распределения
поля
по
поперечному
сечению
120
π
=W
0
–
характеристическое
сопротивление
свободного
пространства
2.
через
мощность
и
ток
ρ
P,I
=
пад
пад
I
2
Р
3.
через
напряжение
и
мощность
ρ
P,U
=
пад
пад
2P
U
Для
Т
волн
все
определения
дают
один
результат
.
82
Для
Е
,
Н
, LE, LH –
отличаются
,
так
как
токи
и
напряжения
могут
определяться
различным
образом
.
На
практике
используют
нормировку
к
волновому
сопротивлению
определенным
одним
и
тем
же
способом
.
Основные
типы
линий
передачи
.
а
)
Проводные
линии
передачи
Поскольку
линии
многосвязные
(2
и
более
изолированных
проводника
)
основной
тип
волны
–
волна
Т
-
типа
,
λ
кр Т волны
=
∞
, f
кр
=0.
Высшие
типы
колебаний
не
используются
,
так
как
их
f
кр
большая
для
таких
линий
.
Кроме
этого
,
линии
обычно
используют
как
открытые
и
высшие
волны
сильно
излучаются
.
1.
Двухпроводная
Структура
поля
λ
л
=
λ
0
; V
ф
=
с
.
Обычно
µ
,
ε
=1,
так
как
диэлектрика
нет
,
потери
только
в
проводниках
,
их
делают
из
биметалла
(
сталь
-
медь
).
ρ≈
276 lg
d
D2
–
обычно
выполнимое
значение
ρ
=200÷2000
Ом
.
Линия
с
ρ
=600
Ом
–
стандартная
=> D=200, d=4.
Достоинства
: 1)
линия
легкая
и
дешевая
;
2)
Р
доп
–
десятки
кВт
.
Недостатки
: 1)
линия
открытая
–
излучает
на
поворотах
и
изгибах
,
особенно
с
ростом
частоты
;
2)
обычные
значения
ρ
слишком
высокие
,
особенно
для
полупроводниковых
передатчиков
.
Использование
: 1)
в
КВ
диапазоне
2)
для
передающих
трактов
большой
длины
.
2.
Экранированная
двухпроводная
Сложнее
и
тяжелее
,
но
не
излучает
;
ρ
меньше
.
Используется
на
изгибах
и
поворотах
.
3.
Четырехпроводная
D
d
D
d
D
+
+
–
–
83
а
)
d
D22
lg138
=ρ
б)
d
2
D2
lg138
=ρ
Волновое сопротивление в а) ≈ в 2 раза меньше чем у двухпроводной (стандарт
300 Ом).
4. Многопроводная
n
экв
R
nr
Rd =
n –число проводников.
б) Коаксиальная линия передачи
Линия многосвязная – волна Т-типа – основная.
Структура поля
λ
л
=
ε
λ
0
; V
ф
=
ε
c
.
d
D
ln
60
d
D
lg
138
ε
=
ε
=ρ
+
+
–
–
2R
2r
D
d
ε
D/d
7
5 3 3,6 1,65
1
1
0,5
1,5
P
кр
/P
max
α
/
α
min
84
α
min
≈ 77 Ом,
P
проб max
≈ 30 Ом.
α=α
д
+α
м
от размеров зависит α
м
.
Необходимо опасаться Н
11
.
λ
кр Н
11
≈
(
)
02,2
dD
+
π
, λ
0
> λ
кр Н
11
–
условие одной волны, ограничивающее рабочий
диапазон.
Коаксиальный волновод – жесткая труба, центральный проводник на шайбах или
изоляторах.
ρ
станд
=>50 и 75 Ом; диэлектрик – воздух; потери небольшие, только 2 м.
P
кр
– большая.
Коаксиальный кабель – центральный проводник 1 скрутка, внешний проводник –
оплетка, диэлектрик – гибкий полиэтилен, фторопласт и т.п.
ρ
станд
=>50, 75, 100, 150, 200 Ом; потери большие, P
кр
– маленькая.
Обозначение РК 75-9-12 АН
Используются от ВЧ до СВЧ, как неизлучающая ЛП.
в) Полосковые линии
Используются в ДМ и СМ диапазонах на низких уровнях мощности.
Достоинства: 1) миниатюрность устройств;
2) высокая технологичность изготовления методами фотопечатания
на фольгированных диэлектриках или фотохимическими способами.
Недостатки: 1) высокая повторяемость;
2) сложность структуры поля основной волны колебания;
3) сложность расчетов настройки узлов высокой оснащенности
предприятия.
Используется очень большое разнообразие:
– открытые
Радиочастотный
коакси
альный
Волновое
сопротивление
ρ
Диаметр
изоляции
Номер
разработки
Однопроводная
внутренняя
и
однопроводная
оплетка
ПЭ
изоляцией
и
ПХВ
оболочкой
Для
индивидуальной
приемки
телевизионной
антенны
W
h
ε
85
если ε=8÷12 называются микрополосковыми.
– экранированные (полосковые волноводы)
или
– симметричные
диэлектрик одинаковый
– щелевые
– компланарные
В большинстве разновидностей распространяется гибридная волна, так как в
поперечном сечении диэлектрик неоднороден (чаще диэлектрик - воздух).
Структура поля
для открытой (наиболее распространенной) основная доля мощности поля
сосредоточена в диэлектрике, поэтому по структуре поле близко к волне Т и носит
название квази Т волны.
86
[ ]
Ом
h
W
735,11
h
W
120
85,055,0qгде),1(q1или
)
W
h
101(2
1
2
1
эфф
есоотношеничерезпонятиевводится
2
,
836,0
0724,0
эфф
2
1
эфф
0
лэфф
квазиТ0000
изммд
γΖ
,j
eU(Z)
ε+ε
π
≅ρ
÷=−ε+=ε
+
−ε
+
+ε
≅ε
ε
λ
=λε
β
π
=λµεω>β>µεεω
−
−
−
α+α+α=αβ+α=γ
≈
Эти
формулы
полуэмпирические
,
справедливы
для
ДМ
диапазона
и
сравнительно
высоких
(
ε
>5)
проницаемостей
и
средних
значений
W/h
с
точностью
2÷5 %.
На
наиболее
распространенных
твердых
подложках
с
ε
≈
5÷10,
ρ
≈
20÷1500
м
.
Большее
ρ
не
реализуется
из
-
за
очень
узкой
подложки
,
меньшее
–
из
-
за
возможности
возбуждения
высших
волн
.
С
ростом
f
раб
поле
втягивается
в
диэлектрик
ε
эфф
,
т
.
е
.
главный
недостаток
–
сложный
расчет
ε
эфф
и
ρ
для
различных
типов
линий
.
г
)
Прямоугольные
волноводы
.
До
настоящего
времени
наиболее
распространенный
тип
линий
передачи
СМ
иММ
диапазонов
и
мощных
трактов
ДЦМ
.
0,4
0,8 1,2 1,6 2,0
40
80
120
160
ρ
(
Ом
)
W/h
ε
=5
ε
=10
а
b
x
y
87
Достоинства
:
линия
экранированная
,
достаточно
легко
обеспечить
размеры
.
Просто
возбуждается
заданный
тип
колебания
,
хорошо
согласуется
с
другими
типами
линий
и
основными
типами
антенн
.
Основной
тип
волны
Н
10
.
Е
Z
=0. 1 –
число
вариаций
по
широкой
стенке
.
λ
кр
=2
а
Волновое
сопротивление
определяется
неоднозначно
,
так
как
нет
однозначия
в
определении
токов
(
в
отличие
от
волн
Т
-
типа
).
[ ]
.
a
b
2
;
a
b
8
;
a
b2
a2
1
120
a
b2
;Ом
а2
1
120
1
120
H,EU,I
H,E
2
I,P
H,E
2
0
U,P
2
0
2
кр
0
H,E
ρ⋅
π
=ρ
ρ⋅
π
=ρ
ρ⋅=
λ
−
π
=ρ
λ
−
π
=
λ
λ
−
π
=ρ
При
расчетах
используется
какое
-
то
одно
и
к
нему
все
нормируется
.
λ
λ
−
=
λ
λ
−
λ
=λ
кр
0
ф
2
кр
0
0
в
1
с
V,
1
с
=3·10
8
м
/
с
.
Высшие
типы
:
Н
20
,
λ
кр
=a ; H
01
,
λ
кр
=2b.
Обычно
выбирают
b
≤
а
/2
и
первой
высшей
является
Н
20
,
рабочий
диапазон
λ
кр Н20
<
λ
0
<
0,9
λ
кр Н
10
,
∆
f/f
0
≈
0,6.
Обычно
выбирают
а≈
0,7
λ
ср
.
а
b
x
y
а
H
x
x
E
y
а
H
z
x
b
y
H
x
H
z
E
y
a
2a
λ
0
α
Н
10
Н
20
дисперсия
скин
эффект
88
Пропускаемая
мощность
определяется
пробоем
воздуха
.
Она
зависит
от
пыли
,
грязи
;
наличия
диафрагм
,
штырей
,
изгибов
.
[ ]
Вт
1abE1063,6
N
1
Р
2
кр
0
2
max
4
max
λ
λ
−⋅⋅⋅⋅=
−
N=2÷3 –
коэффициент
запаса
;
Е
max
=3·10
6
В
/
м
–
пробивная
напряженность
воздуха
.
Р
max
резко
падает
при
λ
0
→
2a=
λ
кр
.
Р
max
можно
увеличить
,
подняв
давление
в
тракте
.
Размеры
сечения
прямоугольного
волновода
–
стандартны
.
72
х
34
λ
ср
=10
см
,
α
=0,02
дБ
/
м
,
Р
доп
=3000
кВт
;
23
х
10
λ
ср
=3,2
см
,
α
=0,12
дБ
/
м
,
Р
доп
=300
кВт
.
Недостатки
:
1.
сильная
частотная
дисперсия
;
2.
трудно
сделать
гибкий
и
поворот
одной
части
тракта
относительно
другой
3.
сравнительно
узкая
полоса
рабочих
частот
.
д
)
П
и
Н
-
образные
волноводы
Уменьшая
d
можно
добиться
существенного
снижения
f
кр
.
Используются
в
широкополосных
трактах
.
∆
f/f
0
=2÷3.
Они
сочетают
преимущества
волноводов
и
коаксиала
.
Недостатки
:
1.
менее
технологичны
как
при
изготовлении
,
так
и
при
разработке
элементов
на
их
базе
;
2.
существенно
менее
прочны
электрически
.
е
)
Круглые
волноводы
Используются
в
элементах
трактов
СВЧ
и
для
передачи
мощности
на
большие
расстояния
.
Недостаток
:
d
d
2R
89
1.
все
типы
колебаний
вырождены
по
азимутальной
координате
(
поляризация
неустойчива
).
Н
11
–
основной
тип
.
2
кр
0
0
в
2
кр
0
ЕН
1
,
1
120
λ
λ
−
λ
=λ
λ
λ
−
π
=ρ
λ
кр
=3,42R.
Из
-
за
поляризационной
неустойчивости
почти
не
используется
,
хотя
легко
трансформируется
из
Н
10
прямоугольного
,
так
как
является
ее
аналогом
.
Е
01
.
2
кр
0
0
в
2
кр
0
ЕН
1
,1120
λ
λ
−
λ
=λ
λ
λ
−π=ρ
λ
кр
=2,61R.
Осевая
симметрия
позволяет
использовать
ее
в
поворотных
устройствах
,
но
нужно
подавлять
Н
11
.
Н
01
.
ρ
ЕН
и
λ
в
–
так
же
,
как
и
для
Н
11
.
Обладает
аномальной
зависимостью
затухания
от
частоты
.
Недостаток
:
волна
высшего
типа
.
λ
кр
=1,64R.
ж
)
Однопроводная
линия
Если
проводимость
провода
бесконечна
–
волна
вдоль
нее
распространяться
не
будет
.
Для
поддержания
волны
используют
замедление
.
Распространяется
волна
гибридного
типа
.
Область
,
где
99%
поля
–
область
эффективной
передачи
(
радиус
поля
).
Она
зависит
от
λ
,
ε
r
и
др
.
Достоинства
:
1.
линия
дешевая
;
2.
малы
потери
диссипативные
.
2,06
2,61
λ
α
Н
01
Н
21
3,42
1,64
Е
11
Е
01
Н
11
ε
r
металлические
шайбы
или
90
Недостатки
:
1.
открытая
;
2.
излучает
на
поворотах
и
изгибах
.
з) Диэлектрические линии
Волны
типа
LE
или
LH,
возбуждаются
чаще
всего
волноводом
.
Круглые
используются
реже
,
так
как
любая
из
волн
вырождена
по
азимутальной
координате
.
f
кр
имеет
реальные
значения
,
при
котором
радиус
поля
очень
увеличивается
и
волна
становиться
неустойчивой
. f
кр
реальная
,
обычно
n= 1
V
с
ф
− =10
-3
и
радиус
поля
=10
λ
.
α
=0,03÷0,1
дБ
/
м
в
ММ
диапазоне
.
Зеркальный
диэлектрический
волновод
за
счет
экрана
устойчивая
поляризация
.
α
=
α
д
+
α
м
.
При
f
0
=70
ГГц
α
=0,02÷0,2
дБ
/
м
.
и
)
Световоды
и
лучевые
волноводы
Выполняются
из
кварца
.
Диаметр
–
много
тысяч
λ
0
.
Это
многомодовый
волновод
.
С
изменением
f
раб
меняется
траектория
,
то
есть
наблюдается
дисперсия
.
Если
переход
сделать
плавным
,
то
дисперсию
можно
уменьшить
.
Полное
внутреннее
отражение
–
основа
работы
.
Потери
в
оптическом
диапазоне
у
кварца
очень
малы
.
Внешний
слой
легируется
окислами
бора
,
фосфора
и
т
.
д
.
α
=3÷5
дБ
/
км
,
очень
широкополосный
,
возбуждается
светодиодами
или
лазерами
.
Лучевые
волноводы
разрабатываются
на
основе
того
,
что
плоская
волна
не
расходиться
,
т
.
е
.
используют
устройства
для
выравнивания
фронта
.
2. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ
2.1
Работа
линии
в
режиме
передачи
мощности
Линии
передачи
конечной
длины
используются
в
двух
режимах
:
или
h
r
или