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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра ОРТ

Отчет

по учебной практике на тему:

"Разновидности линий передачи электромагнитной энергии: коаксиальная линия, полосковая и микрополосковая линии, 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 металлический волновод

3.2 Круглый волновод

3.3 Коаксиальный волновод

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

В практике важное значение имеет решение задачи по передаче электромагнитной энергии от генератора к потребителю. Выполнить такую передачу электромагнитной энергии можно с помощью линии передачи.

Линия передачи - это устройство, предназначенное для передачи энергии от генератора к потребителю.

На высоких частотах и на большие расстояния электромагнитная энергия передается с помощью излучающих систем (антенн). В этом случае энергия распространяется в свободном пространстве, т.е. в окружающей среде.

На высоких частотах и на малые расстояния, а также на низких частотах передачу электромагнитной энергии осуществляют с помощью направляющих систем. В основе направляющей системы лежит способность металлической поверхности направлять движение электромагнитной волны. Также для этой цели используется граница раздела двух диэлектриков.

Передать электромагнитную энергию можно с помощью двухпроводной, ленточной, коаксиальной, микрополосковой линии, волноводов разных типов, а также некоторых других линий передачи.

1. КОАКСИАЛЬНАЯ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Кроме линий из параллельных проводов, которые широко применяются для передачи электрической энергии промышленной частоты и сигналов звуковых частот (линии для передачи мощности и телефонные линии), существуют также линии в виде коаксиального или концентрического кабеля. Такие линии, показанные на рис. 1, имеют ряд преимуществ и применяются для передачи энергии очень высоких частот.

Главным преимуществом является то, что при правильном подсоединении генератора и нагрузки (при необходимости -- через балансные трансформаторы) все поля заключены в области между двумя проводниками. Таким образом они полностью изолированы от электрических и магнитных полей или от напряжений и токов соседних линий. Поэтому несколько таких линий с токами одной и той же или разных высоких частот могут группироваться без заметного влияния друг на друга.

Коаксиальные кабели чрезвычайно широко используются для передачи телевизионных сигналов из одного места в другое. На рис. 1 показано распределение электрического и магнитного полей внутри коаксиального кабеля. Электрическое поле в нем радиальное, а магнитное поле концентрическое. По внутреннему и внешнему проводам текут равные, но противоположные по фазе токи. Вследствие так называемого поверхностного эффекта (скинэффекта), особенно заметного на высоких частотах, ток течет только в поверхностном слое проводника. В концентрическом кабеле он проходит по внешней поверхности внутреннего провода и внутренней поверхности внешнего провода, определяя соответствующую картину электрического и магнитного полей.

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

 (1.1)

Рис. 1. Электрическое и магнитное поле коаксиальной линии передачи

В случае воздушного диэлектрика между проводниками волновое сопротивление коаксиальной линии может быть рассчитано по формуле:

(1.2)

где а -- внешний радиус внутреннего провода, b -- внутренний радиус внешнего провода.

Если пространство между проводниками заполняется каким-либо твердым изолятором, диэлектрическая постоянная которого больше единицы, емкость между проводниками увеличивается, а волновое сопротивление линии уменьшается пропорционально корню квадратному из емкости. В большинстве гибких кабелей, как из параллельных проводов, так и в коаксиальных кабелях, используются твердые пластичные диэлектрики. Поэтому волновое сопротивление таких 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 линии с воздушным диэлектриком имеют волновое сопротивление порядка 300-600 ом. Для гибких линий из параллельных проводов с твердым диэлектриком (симметричный плоский кабель с резиновой изоляцией), рассчитанных для передачи высоких частот, сопротивление делается равным 300, 150 или 75 ом.

2. ПОЛОСКОВАЯ И МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ

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

Иногда в качестве подложки применяют феррит или полупроводник. Воздушные П. л. чаще используют в диапазоне частот 1-100 МГц, а П. л., нанесённые на диэлектрик,- до 100 ГГц. Наиб, распространены П. л., у которых одна поверхность подложки полностью металлизирована (микрополосковые линии, рис. 2, в, г). Они обеспечивают простое соединение активных элементов интегральных схем (ИС) с подложкой через металлизированные отверстия в ней; применяются вплоть до миллиметрового диапазона волн. В миллиметровом диапазоне чаще используются подвешенные (рис. 2, д, ж)и обращённая (рис. 2, е) линии.

Рис. 2. Виды полосковых линий передач

Электрические свойства полосковых линий характеризуются волновым сопротивлением Z_в коэффициентом замедления h и коэффициентом затухания б. Подвешенные и обращенные П. л. отличаются от др. П. л. тем, что сторона подложки, противоположная полоскам, не металлизирована; они обладают меньшими потерями энергии в проводниках, чем микрополосковые линии, допускают передачу большей мощности. Волновые сопротивления и коэффициент замедления этих линий зависят от расстоянии между диэлектриком и экранами, что используют для перестройки устройств на П. л. и для выравнивания скоростей чётных и нечётных волн в связанных линиях (рис. 2, ж). Такое выравнивание необходимо для создания широкополосных направленных ответвителей.

К П. л. относятся копланарная (рис. 2, з) и щелевые (рис. 2, и) линии. Все проводящие полоски этих линий расположены с одной стороны подложки. Поэтому они допускают монтаж активных элементов, в т ч соединение с "землёй", с одной стороны подложки и удобны для создания монолитных ИС. В сочетании с П л нанесёнными на др. сторону подложки, они существенно расширяют возможности создания различной конструкции ИС.

Рис. 3. Дисперсионные характеристики различных типов волн

В П. л. могут существовать разл. типы волн отличающиеся распределением поля и тока по ширине полоски. Их дисперсионные характеристики (сплошные линии) представлены на рис. 3. Основной тип волны (кривая O) называется квази-ТЕМ-волной, поскольку эта волна как и ТЕМ-волна. может распространяться в диапазоне длин волн поперечные компоненты эл -магн. поля в ней существенно больше, чем продольные (в ТЕМ-волне продольные компоненты поля отсутствуют), а при достаточно больших длинах волн и она описывается телеграфными уравнениями.

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

Рост замедления связан с тем, что по мере увеличения частоты эл--магн. поле сосредоточивается в диэлектрике. Наиболее быстрый рост замедления квази-ТЕМ-волны происходит вблизи частот, при которых в подложке укладывается четверть волныа на ширине полоски - полуволны

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

(здесь с - скорость света в свободном пространстве),

волновое сопротивление

Затухание

Часто при= 1 в области частот для к-рой справедливы телеграфные уравнения вместо коэф. замедления используют эфф. диэлектрич. проницаемость поскольку в этой области = где- погонная ёмкость П. л. в отсутствие подложки.

Дисперсионные характеристики высших типов волн в П. л. близки к дисперсионным характеристикам волн в диэлектрич. волноводе. Эти типы волн используются для создания на основе П. л. высокоподобных резонаторов. Поле в П.л. локализовано вблизи проводящей полоски, если коэф. замедления волн в П. л. (рис. 3, кривые 0, 1, 2) выше, чем в двуслойном волноводе (рис. 3, кривая 3). В противном случае возможно излучение волны полоской т. е. трансформация волны в П. л. в волну двуслойного волновода.

Излучение возможно также на неоднородностях в П. л. (повороты, разрывы, навесные элементы и т.п.). Область значений n, лежащая выше кривой 3, называется областью дискретного спектра, а ниже -областью непрерывного спектра, поскольку в последнем случае коэф. замедления и длины волн (частоты) могут принимать любые значения.

П. л. отличаются от др. линий передачи малыми габаритами и простотой изготовления; допускают применение планарной технологии (напыление, фотолитография и т. п.), поэтому удобны для создания ИС как в качестве линии передачи эл--магн. энергии так и в качестве элементов СВЧ-устройств (резонаторов, фильтров, линии задержки, направленных ответвителей и др.).

3. ВОЛНОВОДЫ

3.1 Прямоугольный металлический волновод

На практике наиболее часто для передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона используют прямоугольные металлические волноводы, представляющие собой полые металлические трубы прямоугольного сечения. На рис. 4 приведено схематичное изображение прямоугольного металлического волновода.

Рис. 4. Схематическое изображение прямоугольного металлического волновода

Принято считать, что размеры широкой стенки волновода обозначают а, узкой стенки b. Таким образом, размеры прямоугольного сечения волновода обозначают ахb. Такое обозначение указано в государственном стандарте (ГОСТ).

Размеры волноводов, применяемых в различных диапазонах волн, берутся в справочниках по волноводной технике[ ]. С прямоугольными волноводами связывают прямоугольную декартовую систему координат (x, y, z). Обычно, систему координат размещают так, как показано на рис. 4.

Широкое применение полых металлических волноводов обусловлено их следующими достоинствами:

- высокая технологичность изготовления;

- достаточно малое затухание энергии при распространении волны;

- возможность передачи значительных мощностей в импульсном режиме.

Будем полагать, что внутри волновода находится воздух или вакуум (=1), т.е. для такого волновода параметры среды имеют значения

Пусть стенки волновода выполнены из идеального проводника, т.е. удельная проводимость = .

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

Исследуем поле Н-волны в прямоугольном волноводе. Напомним, что для такой волны имеется продольные и поперечные составляющие магнитного поля, продольные составляющие электрического 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 соответствующие волновые числа или постоянные распространения:

- постоянная распространения в свободном пространстве,

h - продольное волновое число,

g - поперечное волновое число.

Между волновыми числами существует связь

(1.5)

На основе формулы (1.5) можно продольное волновое число выразить в виде . Из полученной формулы можно вскрыть важную особенность, позволяющую понять процесс распространения волны в волноводе:

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

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

В волновом процессе необходимо различать длину волны генератора ₀, или длина волны, распространяющуюся в свободном пространстве.

Для описания распространения волны в волноводе введем понятия длину волны в волноводе _в, а также критической длины волны _кр. Таким образом, следует различать между собой: ₀, _в, _кр.

Критическая длина волны - это наибольшая длина волны, которая может распространяться в волноводе для данного типа колебаний.

Связь между волновыми числами и длинами волн выражается формулами:

(1.6)

(1.7)

(1.8)

Критическая длина волны и длина волны в волноводе определяются формулами:

, (1.9)

где m, n - соответствующие индексы волны, a, b - размеры волновода.

, (1.10)

где ₀ - длина волны генератора, _кр - критическая длина волны.

Формулы (1.9) и (1.10) позволяют заключить, что для каждого типа волны при соответствующих размера волновода существует однозначно определенная критическая длина волны. Длина волны, распространяющаяся в волноводе, зависит от длины волны в свободном пространстве и критической длины волны.

Для волны Н_mn справедливы формулы:

, (1.11)

, (1.12)

, (1.13)

где V_ф -фазовая скорость, V_гр - групповая скорость, Z_ОН - 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 основные результаты решения волновых уравнений для круглого волновода. В круглом волноводе существуют волны Е и Н-типов.

Фазовая и групповая скорости определяются следующим образом.

Для волн Е-типа:

(1.14)

(1.15)

(1.16)

где - волновое число, - корни 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, а также формулы критической длины волны и критической частоты для некоторых типов волн.

Таблица 1. Значения корней функции Бесселя

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

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

Анализ содержания таблицы 1, 2 позволяет сделать следующие выводы:

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

2) У волны Н₀₁ на стенках волновода азимутная составляющая отсутствует и существует только продольная составляющая напряженности магнитного поля. Продольная составляющая поля при также стремится к нулю, что приводит к результату: ток по стенкам не течет. Этим обеспечивается малое затухание волны Н₀₁ (Н_0n) в круглых волноводах.

2) Волна Е₀₁ в круглом волноводе обладает круговой симметрией. Благодаря этому свойству она используется во вращающихся 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 двух соосных металлических цилиндров, разделенных слоем диэлектрика. На рисунке 7а приведено схематическое изображение коаксиального волновода.

Рис. 7. Схематическое изображение коаксиального волновода

Диаметр внутреннего цилиндра на рису. 7 обозначен d, внешнего - D.

К основным достоинствам коаксиальных линий передачи относятся следующие:

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

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

3) Возможность изготовления в виде гибких коаксиальных кабелей.

Благодаря таким достоинствам, коаксиальные волноводы нашли широкое применение, чаще всего их используют для соединения узлов и блоков радиоаппаратуры. Такие волноводы применяются как в метровом, так и в сантиметровом диапазоне, обычно не выше 20 ГГц. Хотя в некоторых случаях они могут использоваться и на более высоких частотах в виде коротких отрезков. Незначительная длина волноводов в таких случаях обусловлена большим затуханием, составляющим более 1 дБ/м.

Коаксиальные кабели изготавливают в виде жестких и гибких конструкций. Установлено, что по коаксиальному кабелю могут передаваться волны любых частот, включая частоту постоянного тока. Структура поля электромагнитной волны соответствует типу ТЕМ, т.е. E_Z=0, Н_Z=0.

При изучении распространения электромагнитной волны вдоль коаксиальной линии передачи применяют цилиндрическую систему координат, которая, как известно, задается углом , радиусом r, и координатой z, т.е. (r, , z).

На рис. 7 б показана структура ТЕМ волны, распространяющейся внутри коаксиального кабеля. Напряженность электрического поля имеет только одну радиальную составляющую, т.е. векторы направлены по радиусам в плоскости поперечного сечения. Магнитное поле содержит также одну составляющую Н, силовые линии магнитного поля расположены в виде концентрических окружностей вокруг внутреннего провода (вокруг оси z).

Значения напряженностей магнитного и электрического поля определяются формулами:

(1.20)

где r - радиус, I - сила протекающего тока, Z_c - волновое сопротивление среды, заполняющей пространство между цилиндрами, - относительная диэлектрическая проницаемость.

Напряженность электрического поля можно также записать в виде

 (1.21)

Отметим, что рабочий диапазон частот коаксиальных линий передачи энергии ограничен только со стороны высоких частот тем фактом, что при высоких частотах возможно возбуждение высших типов волн. Для коаксиальной линии ближайшим высшим типом волны является волна Н₁₁, структура которой является сходной со структурой Н₁₁ в круглом волноводе.

Для волны Н₁₁ критическая длина волны определяется формулой

, (1.22)

где D - диаметр большого цилиндра, d - диаметр малого цилиндра.

Из формулы (1.22) видно, что высшие типы волн появляются тогда, когда длина волны возбуждающих колебаний становится меньше полусуммы периметров проводников. Таким образом, минимальная длина волны, распространяющаяся в коаксиальном волноводе, определяется формулой

(1.23)

Дальнейшее уменьшение размеров ограничено. Такое ограничение связано с увеличением тепловых потерь, уменьшением электрической прочности и усложнением технологии изготовления.

Для коаксиальной линии расчет напряжения и волнового сопротивления производится по формулам

(4.24)

(1.25)

Пробивное напряжение коаксиального волновода определяется формулой

, (1.26)

где - предельная (максимальная) напряженность поля.

Для коаксиального волновода с воздушным заполнением . Тогда напряжение пробоя . Максимум пробивного напряжения соответствует соотношению , при этом волновое сопротивление Ом.

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

(1.27)

Затухание волны в коаксиальном кабеле вызвано потерями энергии, обусловленными тепловыми потерями в проводнике, а также потерями в диэлектрике.

Так, для коаксиальной линии с медными проводниками потери можно рассчитать, исходя из формулы

 , дБ/м (1.28)

где - относительная диэлектрическая проницаемость, f - линейная частота, D, d - диаметры соответственно внешнего и внутреннего цилиндрических проводников.

Минимальное затухание в коаксиальной линии передачи энергии достигается при , что соответствует волновому сопротивлению

Стандартные значения волновых сопротивлений применяемых коаксиальных кабелей соответствуют 50 и 75 Ом.

ВЫВОДЫ

коаксиальный полосковый линия волновод

Вследствие вышеприведенной информации, можно сделать вывод, из которого следует, что тип волновода для передачи электромагнитной энергии полностью зависит от спектра задач, в котором он будет использоваться. Невозможно выбрать один волновод и сказать, что это будет самый лучший вариант. Каждый волновод обладает как собственными преимуществами, так и недостатками, более подробно с которыми можно ознакомиться во множестве учебной литературе, посвященной распространению электромагнитных волн в сфере радиотехники.

В отчете приведены особенности различных линий передачи данях и формулы для расчета основных параметров, которые в обязательном порядке будут необходимы при работе с данными линиями.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

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

2. М 1982, Справочник по расчёту и конструированию СВЧ полосковых устройств, под редакцией В. И. Вольмана, 2 издание.

3. М 1987, Гупта К., Гардж Р., Чадха Р., Машинное проектирование СВЧ-устройств, перевод. с англ.

Размещено на Allbest.ru