Учебная работа. Разновидности линий передачи электромагнитной энергии: коаксиальная линия, полосковая и микрополосковая линии, волноводы

Учебная работа. Разновидности линий передачи электромагнитной энергии: коаксиальная линия, полосковая и микрополосковая линии, волноводы

Министерство образования и науки Украины

Харьковский государственный институт радиоэлектроники

Кафедра ОРТ

отчет

по учебной практике на тему:

«Разновидности линий передачи электромагнитной энергии: соосная линия, полосковая и микрополосковая полосы, волноводы»

Выполнил:

ст.гр. СТЗИу-13-3

Кириченко В.А.

Проверил:

ас. Вишнякова Ю.В.

Харьков, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОАКСИАЛЬНАЯ ЛИНИЯ

2. ПОЛОСКОВАЯ И МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИИ

3. ВОЛНОВОДЫ

3.1 Прямоугольный железный волновод

3.2 Круглый волновод

3.3 Коаксиальный волновод

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

В практике принципиальное

Линия передачи — это устройство, созданное для передачи энергии от генератора к пользователю.

На больших частотах и на огромные расстояния электромагнитная энергия передается при помощи излучающих систем (антенн). В этом случае энергия распространяется в вольном пространстве, т.е. в окружающей среде.

На больших частотах и на малые расстояния, также на низких частотах передачу электромагнитной энергии производят при помощи направляющих систем. В базе направляющей системы лежит способность железной поверхности направлять движение электромагнитной волны. Также для данной нам цели употребляется граница раздела 2-ух диэлектриков.

Передать электромагнитную энергию можно при помощи двухпроводной, ленточной, соосной, микрополосковой полосы, волноводов различных типов, также неких остальных линий передачи.

1. КОАКСИАЛЬНАЯ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Не считая линий из параллельных проводов, которые обширно используются для передачи электронной энергии промышленной частоты и сигналов звуковых частот (полосы для передачи мощности и телефонные полосы), есть также полосы в виде соосного либо концентрического кабеля. Такие полосы, показанные на рис. 1, имеют ряд преимуществ и используются для передачи энергии весьма больших частот.

Основным преимуществом будет то, что при правильном подсоединении генератора и перегрузки (по мере необходимости — через балансные трансформаторы) все поля заключены в области меж 2-мя проводниками. Таковым образом они на сто процентов изолированы от электронных и магнитных полей либо от напряжений и токов примыкающих линий. Потому несколько таковых линий с токами одной и той же либо различных больших частот могут группироваться без приметного воздействия друг на друга.

Коаксиальные кабели очень обширно употребляются для передачи телевизионных сигналов из 1-го места в другое. На рис. 1 показано распределение электронного и магнитного полей снутри соосного кабеля. Электронное поле в нем круговое, а магнитное поле концентрическое. По внутреннему и наружному проводам текут равные, но обратные по фазе токи. Вследствие так именуемого поверхностного эффекта (скинэффекта), в особенности приметного на больших частотах, ток течет лишь в поверхностном слое проводника. В концентрическом кабеле он проходит по наружной поверхности внутреннего провода и внутренней поверхности наружного провода, определяя подобающую картину электронного и магнитного полей.

Волновое сопротивление соосной полосы определяется по той же формуле, что и в случае полосы передачи из параллельных проводов:

(1.1)

Рис. 1. Электронное и магнитное поле соосной полосы передачи

В случае воздушного диэлектрика меж проводниками волновое сопротивление соосной полосы быть может рассчитано по формуле:

(1.2)

где а — наружный радиус внутреннего провода, b — внутренний радиус наружного провода.

Если место меж проводниками заполняется любым жестким изолятором, диэлектрическая неизменная которого больше единицы, емкость меж проводниками возрастает, а волновое сопротивление полосы миниатюризируется пропорционально корню квадратному из емкости. В большинстве гибких кабелей, как из параллельных проводов, так и в коаксиальных кабелях, употребляются твердые пластичные диэлектрики. Потому волновое сопротивление таковых кабелей ниже волнового сопротивления линий с воздушным диэлектриком.

Гибкие коаксиальные кабели обычно имеют волновое сопротивление около 50 ом, а коаксиальные кабели с воздушным диэлектриком — 50-70 ом. Параллельные полосы с воздушным диэлектриком имеют волновое сопротивление порядка 300-600 ом. Для гибких линий из параллельных проводов с жестким диэлектриком (симметричный тонкий кабель с резиновой изоляцией), рассчитанных для передачи больших частот, сопротивление делается равным 300, 150 либо 75 ом.

2. ПОЛОСКОВАЯ И МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ

Полосковые полосы — полосы передачи, содержащие проводники в виде одной либо нескольких полосок, расположенных в воздухе (воздушные П. л., рис. 2, а, б) или нанесённых на диэлектрик (рис. 2, в — д), именуются подложкой.

время от времени в качестве подложки используют феррит либо полупроводник. Воздушные П. л. почаще употребляют в спектре частот 1-100 МГц, а П. л., нанесённые на диэлектрик,- до 100 ГГц. Наиб, всераспространены П. л., у каких одна поверхность подложки на сто процентов металлизирована (микрополосковые полосы, рис. 2, в, г). Они обеспечивают обычное соединение активных частей интегральных схем (ИС) с подложкой через металлизированные отверстия в ней; используются прямо до миллиметрового спектра волн. В миллиметровом спектре почаще употребляются подвешенные (рис. 2, д, ж)и обращённая (рис. 2, е) полосы.

Рис. 2. Виды полосковых линий передач

электронные характеристики полосковых линий характеризуются волновым сопротивлением Zв коэффициентом замедления h и коэффициентом затухания б. Подвешенные и обращенные П. л. различаются от др. П. л. тем, что сторона подложки, обратная полоскам, не металлизирована; они владеют наименьшими потерями энергии в проводниках, чем микрополосковые полосы, допускают передачу большей мощности. Волновые сопротивления и коэффициент замедления этих линий зависят от расстоянии меж диэлектриком и экранами, что употребляют для перестройки устройств на П. л. и для сглаживания скоростей чётных и нечётных волн в связанных линиях (рис. 2, ж). Такое сглаживание нужно для сотворения широкополосных направленных ответвителей.

К П. л. относятся копланарная (рис. 2, з) и щелевые (рис. 2, и) полосы. Все проводящие полосы этих линий размещены с одной стороны подложки. Потому они допускают установка активных частей, в т ч соединение с «землёй», с одной стороны подложки и комфортны для сотворения цельных ИС. В сочетании с П л нанесёнными на др. сторону подложки, они значительно расширяют способности сотворения различной конструкции ИС.

Рис. 3. Дисперсионные свойства разных типов волн

В П. л. могут существовать разл. типы волн отличающиеся распределением поля и тока по ширине полосы. Их дисперсионные свойства (сплошные полосы) представлены на рис. 3. Главный тип волны (кривая O) именуется квази-ТЕМ-волной, так как эта волна как и ТЕМ-волна. может распространяться в спектре длин волн поперечные составляющие эл -магн. поля в ней значительно больше, чем продольные (в ТЕМ-волне продольные составляющие поля отсутствуют), а при довольно огромных длинах волн и она описывается телеграфными уравнениями.

Здесьи — относительные электрич. и магн. проницаемостиматериала подложки, W — ширина полосы,- толщина подложки. По мере уменьшения(роста частоты) коэф. замедления всех типов волн стремится к величинесоответствующей волне, которая распространяется в среде, имеющей те же характеристики, что и подложка П. л.

Рост замедления связан с тем, что по мере роста частоты эл—магн. поле сосредоточивается в диэлектрике. Более резвый рост замедления квази-ТЕМ-волны происходит поблизости частот, при которых в подложке укладывается четверть волныа на ширине полосы — полуволны

Квази-ТЕМ-волна на сто процентов определяется погонными индуктивностью L, ёмкостью С, сопротивлением проводника R, проводимостью подложки G. Через эти характеристики определяются такие величины, как коэф. замедления

(тут с — скорость света в вольном пространстве),

волновое сопротивление

Затухание

Нередко при= 1 в области частот для к-рой справедливы телеграфные уравнения заместо коэф. замедления употребляют эфф. диэлектрич. проницаемость так как в данной нам области = где- погонная ёмкость П. л. в отсутствие подложки.

Дисперсионные свойства высших типов волн в П. л. близки к дисперсионным чертам волн в диэлектрич. волноводе. Эти типы волн употребляются для сотворения на базе П. л. высокоподобных резонаторов. Поле в П.л. локализовано поблизости проводящей полосы, если коэф. замедления волн в П. л. (рис. 3, кривые 0, 1, 2) выше, чем в двуслойном волноводе (рис. 3, кривая 3). В неприятном случае может быть излучение волны полосой т. е. трансформация волны в П. л. в волну двуслойного волновода.

Излучение может быть также на неоднородностях в П. л. (повороты, разрывы, подвесные элементы и т.п.). Область значений n, лежащая выше кривой 3, именуется областью дискретного диапазона, а ниже —областью непрерывного диапазона, так как в крайнем случае коэф. замедления и длины волн (частоты) могут принимать любые значения.

П. л. различаются от др. линий передачи малыми габаритами и простотой производства; допускают применение планарной технологии (напыление, фотолитография и т. п.), потому комфортны для сотворения ИС как в качестве полосы передачи эл—магн. энергии так и в качестве частей СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-устройств (резонаторов, фильтров, полосы задержки, направленных ответвителей и др.).

3. ВОЛНОВОДЫ

3.1 Прямоугольный железный волновод

На практике более нередко для передачи электромагнитных волн СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-диапазона употребляют прямоугольные железные волноводы, представляющие из себя полые железные трубы прямоугольного сечения. На рис. 4 приведено схематичное изображение прямоугольного железного волновода.

Рис. 4. Схематическое изображение прямоугольного железного волновода

Принято считать, что размеры широкой стены волновода обозначают а, узенькой стены b. Таковым образом, размеры прямоугольного сечения волновода обозначают ахb. Такое обозначение обозначено в муниципальном эталоне (ГОСТ).

размеры волноводов, используемых в разных спектрах волн, берутся в справочниках по волноводной технике[ ]. С прямоугольными волноводами связывают прямоугольную декартовую систему координат (x, y, z). Обычно, систему координат располагают так, как показано на рис. 4.

Обширное применение полых железных волноводов обосновано их последующими плюсами:

— высочайшая технологичность производства;

— довольно маленькое затухание энергии при распространении волны;

— возможность передачи значимых мощностей в импульсном режиме.

Будем считать, что снутри волновода находится воздух либо вакуум (=1), т.е. для такового волновода характеристики среды имеют значения

Пусть стены волновода выполнены из безупречного проводника, т.е. удельная проводимость = .

В таковых волноводах могут распространяться волны Е- и Н-типов. На практике наибольшее распространение получили волны Н-типа, а именно, главный тип волны — волна Н10. Заметим, волна Н-типа для волновода прямоугольного сечения записывается в виде Нmn, где m,n — индексы, указывающие на количество полуволн вдоль оси х и у соответственно.

Исследуем поле Н-волны в прямоугольном волноводе. Напомним, что для таковой волны имеется продольные и поперечные составляющие магнитного поля, продольные составляющие электронного поля равны нулю.

Волновое уравнение для составляющей имеет вид

(1.3)

Решение уравнения Гельмгольца (4.1) находится в виде

, (1.4)

где h — продольное волновое число.

Волновой процесс происходит и вдоль оси Z и вдоль перпендикулярной плоскости ХОY. Введем надлежащие волновые числа либо неизменные распространения:

— неизменная распространения в вольном пространстве,

h — продольное волновое число,

g — поперечное волновое число.

Меж волновыми числами существует связь

(1.5)

На базе формулы (1.5) можно продольное волновое число выразить в виде . Из приобретенной формулы можно вскрыть важную изюминка, позволяющую осознать процесс распространения волны в волноводе:

1) Если >g, то продольное волновое число является вещественным и это значит, что вдоль оси z распространяется бегущая волна;

2) Если <g, то продольное волновое число h является надуманным и в волноводе не существует распространяющихся колебаний.

В волновом процессе нужно различать длину волны генератора 0, либо длина волны, распространяющуюся в вольном пространстве.

Для описания распространения волны в волноводе введем понятия длину волны в волноводе в, также критичной длины волны кр. Таковым образом, следует различать меж собой: 0, в, кр.

Критичная длина волны — это большая длина волны, которая может распространяться в волноводе для данного типа колебаний.

Связь меж волновыми числами и длинами волн выражается формулами:

(1.6)

(1.7)

(1.8)

Критичная длина волны и длина волны в волноводе определяются формулами:

, (1.9)

где m, n — надлежащие индексы волны, a, b — размеры волновода.

, (1.10)

где 0 — длина волны генератора, кр — критичная длина волны.

Формулы (1.9) и (1.10) разрешают заключить, что для всякого типа волны при соответственных размера волновода существует совершенно точно определенная критичная длина волны. Длина волны, распространяющаяся в волноводе, зависит от длины волны в вольном пространстве и критичной длины волны.

Для волны Нmn справедливы формулы:

, (1.11)

, (1.12)

, (1.13)

где Vф -фазовая скорость, Vгр — групповая скорость, ZОН — волновое сопротивление для волны Н-типа.

3.2 Круглые волноводы

Круглый волновод представляет собой полый цилиндр радиусом a. Схематическое изображение круглого волновода показано на рис. 5.

Рис. 5. Схематическое изображение круглого волновода

Приведем главные результаты решения волновых уравнений для круглого волновода. В круглом волноводе есть волны Е и Н-типов.

Фазовая и групповая скорости определяются последующим образом.

Для волн Е-типа:

(1.14)

(1.15)

(1.16)

где — волновое число, — корешки уравнения Бесселя, а — радиус волновода.

Для волны Н-типа:

(1.17)

(1.18)

(1.19)

В таблице 1 приведены значения корней функции Бесселя и их производных, также формулы критичной длины волны и критичной частоты для неких типов волн.

Таблица 1. значения корней функции Бесселя

Главные формулы и структура поля для неких волн Е- и Н-типа в круглом волноводе показаны в таблице 2.

Таблица 2. Главные формулы и структура поля в круглом волноводе.

Анализ содержания таблицы 1, 2 дозволяет создать последующие выводы:

1) В круглом волноводе низшим типом волны является волна Н11.

2) У волны Н01 на стенах волновода азимутная составляющая отсутствует и существует лишь продольная составляющая напряженности магнитного поля. Продольная составляющая поля при также стремится к нулю, что приводит к результату: ток по стенам не течет. Сиим обеспечивается маленькое затухание волны Н01 (Н0n) в круглых волноводах.

2) Волна Е01 в круглом волноводе владеет радиальный симметрией. Благодаря этому свойству она употребляется во крутящихся соединениях антенных устройств.

По поверхности круглого волновода протекают также поверхностные токи. На рис. 6 показана схема поверхностных токов для волн Н11 и Н01.

Рис. 6. Схема поверхностных токов для волн Н11 и Н01

3.3 Коаксиальные волноводы

Коаксиальный волновод представляет собой систему, состоящую из 2-ух соосных железных цилиндров, разбитых слоем диэлектрика. На рисунке 7а приведено схематическое изображение соосного волновода.

Рис. 7. Схематическое изображение соосного волновода

Поперечник внутреннего цилиндра на рису. 7 обозначен d, наружного — D.

К главным плюсам коаксиальных линий передачи относятся последующие:

1) Широкополосность, т.е. способность пропускать широкую полосу рабочих частот;

2) Электромагнитное поле, имеющее структуру ТЕМ-волны, распространяется в пространстве меж цилиндрами и во внешнюю среду волна не выходит, т.е. отсутствует паразитное излучение;

3) Возможность производства в виде гибких коаксиальных кабелей.

Благодаря таковым плюсам, коаксиальные волноводы отыскали обширное применение, почаще всего их употребляют для соединения узлов и блоков радиоаппаратуры. Такие волноводы используются как в метровом, так и в сантиметровом спектре, обычно не выше 20 ГГц. Хотя в неких вариантах они могут употребляться и на наиболее больших частотах в виде маленьких отрезков. Незначимая длина волноводов в таковых вариантах обоснована огромным затуханием, составляющим наиболее 1 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)/м.

Коаксиальные кабели изготавливают в виде твердых и гибких конструкций. Установлено, что по соосному кабелю могут передаваться волны всех частот, включая частоту неизменного тока. Структура поля электромагнитной волны соответствует типу ТЕМ, т.е. EZ=0, НZ=0.

При исследовании распространения электромагнитной волны вдоль соосной полосы передачи используют цилиндрическую систему координат, которая, как понятно, задается углом , радиусом r, и координатой z, т.е. (r, , z).

На рис. 7 б показана структура ТЕМ волны, распространяющейся снутри соосного кабеля. Напряженность электронного поля имеет лишь одну круговую составляющую, т.е. векторы ориентированы по радиусам в плоскости поперечного сечения. Магнитное поле содержит также одну составляющую Н, силовые полосы магнитного поля размещены в виде концентрических окружностей вокруг внутреннего провода (вокруг оси z).

значения напряженностей магнитного и электронного поля определяются формулами:

(1.20)

где r — радиус, I — сила протекающего тока, Zc — волновое сопротивление среды, заполняющей место меж цилиндрами, — относительная диэлектрическая проницаемость.

Напряженность электронного поля можно также записать в виде

(1.21)

Отметим, что рабочий спектр частот коаксиальных линий передачи энергии ограничен лишь со стороны больших частот тем фактом, что при больших частотах может быть возбуждение высших типов волн. Для соосной полосы наиблежайшим высшим типом волны является волна Н11, структура которой является схожей со структурой Н11 в круглом волноводе.

Для волны Н11 критичная длина волны определяется формулой

, (1.22)

где D — поперечник огромного цилиндра, d — поперечник малого цилиндра.

Из формулы (1.22) видно, что высшие типы волн возникают тогда, когда длина волны возбуждающих колебаний становится меньше полусуммы периметров проводников. Таковым образом, малая длина волны, распространяющаяся в соосном волноводе, определяется формулой

(1.23)

Предстоящее уменьшение размеров ограничено. Такое ограничение соединено с повышением термических утрат, уменьшением электронной прочности и усложнением технологии производства.

Для соосной полосы расчет напряжения и волнового сопротивления делается по формулам

(4.24)

(1.25)

Пробивное напряжение соосного волновода определяется формулой

, (1.26)

где — предельная (наибольшая) напряженность поля.

Для соосного волновода с воздушным наполнением . Тогда напряжение пробоя . Максимум пробивного напряжения соответствует соотношению , при всем этом волновое сопротивление Ом.

Предельная мощность, которая может передаваться по соосному волноводу, определяется соотношением

(1.27)

Затухание волны в соосном кабеле вызвано потерями энергии, обусловленными термическими потерями в проводнике, также потерями в диэлектрике.

Так, для соосной полосы с медными проводниками утраты можно высчитать, исходя из формулы

, дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)/м (1.28)

где — относительная диэлектрическая проницаемость, f — линейная частота, D, d — поперечникы соответственно наружного и внутреннего цилиндрических проводников.

Малое затухание в соосной полосы передачи энергии достигается при , что соответствует волновому сопротивлению

Обычные значения волновых сопротивлений используемых коаксиальных кабелей соответствуют 50 и 75 Ом.

ВЫВОДЫ

коаксиальный полосковый линия волновод

Вследствие вышеприведенной инфы, можно прийти к выводу, из которого следует, что тип волновода для передачи электромагнитной энергии на сто процентов зависит от диапазона задач, в каком он будет употребляться. Нереально избрать один волновод и сказать, что это будет самый наилучший вариант. Любой волновод владеет как своими преимуществами, так и недочетами, наиболее тщательно с которыми можно ознакомиться во огромном количестве учебной литературе, посвященной распространению электромагнитных волн в сфере радиотехники.

В отчете приведены индивидуальности разных линий передачи данях и формулы для расчета главных характеристик, которые в неотклонимом порядке будут нужны при работе с данными линиями.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. М 1980, Нефедов Е. И., Фиваковский А. Т., Полосковые полосы передачи.

2. М 1982, Справочник по расчёту и конструированию СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) полосковых устройств, под редакцией В. И. Вольмана, 2 издание.

3. М 1987, Гупта К., Гардж Р., Чадха Р., Машинное проектирование СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-устройств, перевод. с англ.

]]>