Характеристики линий передачи

Лекция 1

Линии передачи

Линия передачи – это направляющая система для электромагнитных волн.

Рис. 1

Электромагнитные волны, которые распространяются в линии передачи, называют направляемыми электромагнитными волнами.

Представим в поперечном сечении линии произвольную составляющую электрического или магнитного поля в виде комплексной амплитуды поля,

где - распространение поля в плоскости поперечного сечения

- множитель бегущей волны, Г – постоянная распространения волны

, где - длина волны

Укажем величину , где - рабочая длина волны в свободном пространстве

Направляемые электромагнитные волны являются плоскими неоднородными волнами.

Введем понятие регулярной линии передачи – это прямолинейная линия, которая не изменяет поперечного сечения по своей длине. Любое отклонение от этого правила определяет нерегулярную (например, изменение поперечного сечения линии передачи).

Основные типы линии передачи

1. Длинные линии – линии, рассчитанные на распространение волн типа ТЕМ.

2. Волноводы, в которых распространяются волны типа Е и Н.

3. Линии передачи поверхностных волн, в которых распространяются волны смешанного

типа (диэлектрические волноводы).

4. Лучеводы, оптические линии передач.

Примеры длинных линий

Двухпроводная линия передачи

Используется в коротковолновом диапазоне волн .

Отрезки двухпроводной линии используют как резонансные элементы СВЧ, вплоть до сантиметрового диапазона.

Распределение поля в поперечном сечении:

Волновое сопротивление:

где – глубина проникновения, - проводимость.

С увеличением расстояния между проводниками увеличивается излучение проводов в линии, следовательно, увеличиваются потери за счет излучения. Используют экранированные линии:

Коаксиальная линия передачи

Отрезки коаксиальных линий используют в качестве резонансных элементов в устройствах СВЧ вплоть до сантиметровых диапазонов волн.

Структура поля в поперечном сечении линии

Волновое сопротивление:

где Е – относительная диэлектрическая проницаемость

Пример:

Особенности коаксиальной линии передачи

коаксиальная линия имеет наибольшую электрическую прочность

2. В коаксиальных линиях могут распространяться высшие типы волн.

- волна высшего типа

- для распространения волны типа Т.

Полосковые линии передач

Полосковые линии передач редко используются для канализации электромагнитной мощности из – за малой электрической прочности. Основное их применение относится к устройствам СВЧ. Преимущество линий передач этого типа – простая технология изготовления, хорошая воспроизводимость характеристик, малые габариты и вес.

Применяются в дм и см диапазонах волн

В такой линии передачи распространяются волны смешанного типа.

Структура поля приближается к структуре поля Т, если

Симметричные полосковые линии:

приближается к коаксиальным

Лекция 2

Волноводы

Волноводы отличаются по форме поперечного сечения

Прямоугольный волновод.

Волноводы – как линии передач используются в см диапазоне волн. Отрезки волноводов в качестве элементов устройств СВЧ. В волноводах направляемая э/м волна типа Е или Н: . Для волн этого типа существует критическая длина волны ,

где индексы m и n определяют число вариаций в распределении поля волны данного типа по оси x и y. Волна данного типа будет распространяться, если . Критические длины волн образуют счетные множества

Основным типом волны является волна с наибольшей критической длиной

- эта волна распространяется, если

Структура силовых линий поля волны

Типы волн неосновные – высшие

Для волны

Линии передачи рассчитаны на распространение волн основного типа. Волна не распространяется, если

выбор размеров волновода:

Пусть принимает значение от до

Тогда

При приближении к критическому режиму увеличивается дисперсия в волноводе

Чем больше b, тем меньше потери в волноводе и больше прочность, но увеличиваются габариты и вес.

Структура силовых линий поля волны

Зависимость коэффициента затухания от частоты.

Чем больше частота ( ), тем больше затухание в волноводе, т. к. в этом случае растет поверхностное сопротивление стенок волновода (явление скин – эффекта проводника), увеличиваются тепловые потери в стенках волновода, которые определяются поверхностными токами стенок и поверхностными сопротивлением.

При приближении к критическому режиму величина потерь в волноводе резко увеличивается. Это объясняется тем, что групповая скорость волны, характеризующая перенос Э/М энергии, уменьшается, распределение поля приближается к распределению поля стоячей волны (увеличение реактивного поля волновода).

При приближении к критическому режиму реактивное поле в волноводе растет величина токов, наводимых на стенках, увеличиваются потери в волноводе.

Для коэффициента затухания есть формулы.

N – коэффициент затухания

- характер. близость к критическому режиму

Чем больше S поперечного сечения , тем больше , и больше электрическая прочность.

Чем ближе режим к критическому, тем меньше электрическая прочность, т. к. растут токи, наводимые полями.

Круглый волновод

В круглом волноводе существуют направляемые волны типа где m – число вариаций в распределении поля по окружности волновода, n – число вариаций поля по радиусу.

Волна

Картинка силовых линий поля волны

Существуют волноводы типа П и Н сечения, которые имеют увеличенное движение

Примеры режимов работы линий передач

Прямая волна полностью отражается от конца линии.

Распределение поля в линии является результатом сложения полей прямой и обратной волны.

режим стоячей волны

режим бегущей волны, отражение отсутствует, есть только поле прямой волны

промежуточный режим, характеризуемый величиной КБВ (КСВ).

Лекция 3

Лекция 4

Лекция 5

Цепи СВЧ

Устройства СВЧ, включенные в фидерную линию, представляют в общем случае, сложные соединения в виде отрезков линий передачи и собственно устройств СВЧ в виде устройств согласования, делителей направленных ответвителей, мостов и других устройств, обеспечивающих функциональное использование фидерного устройства. При инженерном подходе анализ таких устройств состоит в построении эквивалентных схем замещения, состоящих из отрезков двухпроводных линий и различных включенных в них нагрузок. Таким образом, возникают многополюсники СВЧ, для анализа которых удобно использовать аппарат матричной алгебры. Однако цепи СВЧ в отличие от электрических цепей предполагают волновой характер изменения напряжения и тока в цепи. Поэтому можно указать следующие особенности цепей СВЧ: входы многополюсника фиксируются плоскостями отсчета в подводящих линиях передачи и изменение положения этих плоскостей ведет к изменению характеристик СВЧ устройства; устройства СВЧ имеют многоволновой характер и для каждого типа волны существует своя эквивалентная схема замещения устройства.

Лекция 6

Волновая матрица передачи.

Она вводится для 4- х полюсников и связывает амплитуды падающих и отраженных волн на одном входе с амплитудами падающих и отраженных волн на другом входе. Для четырехполюсника имеем

Пусть 2 – ой вход согласован ,

Остальные элементы прямого смысла не имеют. Матрица применяется при каскадном соединении четырехполюсников.

Лекция 7

Лекция 8

Рассмотрим элементы внутреннего крепления центрального проводника коаксиальной линии. В жестком коаксиале – элементы крепления.

Волноводные диафрагмы

L диафрагма

Хорошо проводящие пластины закорачивают продольные токи, текущие по широкой стенке. Скачок тока определяет индуктивность – как накопитель магнитной энергии

В сечении емкостей диафрагмы скачок электрического поля

С – диафрагма

Резонансная диафрагма

Узлы СВЧ трактов

Поглощающие нагрузки и аттенюаторы

Вид поглощающих нагрузок

Аттенюаторы изменяют уровень мощности с целью контроля и измерения. Различают аттенюаторы поглощающего и предельного типа.

Работа поглощающих – преобразование части э/м энергии в тепловую, что вызывает ослабление и уменьшение амплитуды волны, проходящей через аттенюатор.

Появление тока на пластине связано с тепловыми потерями.

Наибольшее ослабление, вносимое пластиной, обеспечивается ее расположением в середине волновода.

Предельный аттенюатор – отрезок волновода, размеры которого выбраны запредельными или предельными для всех типов волн в волноводе.

Линейная зависимость от длины аттенюатора

Волна с составляющей поля пройдет по всей длине пластины без изменения. Волна, поле которой имеет касательную составляющую пройдет с замедлением.

отличаются по фазе от

Если - на выходе фазовращателя поле вращающейся поляризации.

Разность фаз может быть выбрана =

На выходе линейная поляризация

Используют фазовращатели дискретного типа на PIN диодах

Если диоды отключены, то к линии подключаются реактивные шлейфы.

Фильтры типов волн

Если линия передачи допускает существование в ней нескольких типов волн, то возникает задача фильтрация некоторых типов волн для существования одного типа волны.

Рассмотрим на примере круглого волновода с волнами типа и , которые могут существовать одновременно.

Отфильтруем в поле

Поле E не искажено в поле

Поле такой структуры наводит ток, который вызывает тепловые потери для поля данной структуры, что вызывает его ослабление.

Лекция 9

Направленные ответвители

Направленные ответвители это 8 – полюсники, один вход которого развязан. Необходимость в этом устройстве возникает в том случае, если требуется ответвить часть мощности в некоторую вторичную линию передачи с целью измерения и контроля.

Эквивалентная схема

От первого генератора во вспомогательной линии волна, пройдя отрезок l получит запаздывание по фазе

В сечении А волны складываются в фазе. Обратная волна от генератора L получит запаздывание

Поля обратных волн в сечении 1 будут складываться в фазе

Ответвители имеют характеристики:

1) переходное ослабление

- мощность прямой волны во вспомогательной линии

- мощность прямой волны в основной линии

2) направленность

- мощность обратной волны во вспомогательной линии передач

Примеры ответвителей

Ответвитель щелевого типа

Первая прямая волна пройдя получит запаздывание по фазе , такое же запаздывание получает другая волна. Обратная волна 3 получает запаздывание , потом еще . Волны 4 и 3 оказываются в противофазе и обратной волны нет.

Ответвитель Кона

Вертикальный электрический вибратор

Элементарный магнитный вибратор

В отверстии в связи во вспомогательной линии передачи имеем 2 вибратора, ориентированных перпендикулярно друг другу. Такой излучатель подобен излучателю Гюйгенса, имеющий однонаправленное излучение.

Во вспомогательном волноводе будет поле прямого направления и нет поля обратного соотношения между электрическим и магнитным вибратором регулируется ориентацией вспомогательного волновода (углом) и величиной отверстия связи.

Направленный ответвитель Швингера

Применение направленных оветвителей

Измерение уровня проходящей мощности

Измерение КБВ

На основе направленных ответвителей создают измерительные устройства, позволяющие регулировать амплитуду и фазу во вспомогательной линии передачи, т. е. регулируется развязка в одном из плеч 8 – полюсника.

Мостовые устройства СВЧ

Мостовые устройства – это восьмиполюсники, обладающие следующими свойствами: при возбуждении одного из плеч в. ч. Сигнал на другое плечо не проходит (свойство развязки). Сигнал на оставшихся 2 – х входах делится пополам

Примеры мостовых устройств:

Гибридное кольцо, волноводно щелевой мост, двойной волноводный тройник. Гибридное кольцо выполняется на коаксиальных, волноводных, полосковых линиях передач

Пусть возбуждается вход 2, а остальные нагружены на согласованные нагрузки.

В кольцевой коаксиальной линии возбуждаются две волны противоположного направления. Пройдя одинаковый путь, поля этих волн складываются в сечении а (пучность напряжения) сечения а – а эквивалентно холостому ходу и отстает от входа 4 на . Холостой ход через пересчитывается в кз. Сигнал на вход 4 не пройдет, а делится пополам между входами 1 и 3. Аналогично можно рассмотреть возбуждение с любого другого входа. Определим волновое сопротивление кольца , если известны волновые сопротивления входов .

Сопротивление пересчитывается со входа 1 ко входу 2, как некое сопротивление со входа 3 пересчитывается в на вход 2. Эти сопротивления на входе 2 параллельны.

Гибридное кольцо на волноводных линиях

Волноводно - щелевой мост

В волноводах на входах 1, 2, 3, 4, что возбуждается волны

Представим возбуждение моста

Синфазное возбуждение

Противофазное возбуждение

В случае (а) в области щели возбуждается волна . Определим длину волны в области щели.

В случае (б) в области щели возбуждается волна

Волны этих типов, распространяясь в области щели получат запаздывание по фазе

На входах 3 и 4, поля этих волн складываются с разницей фаз

Пусть сигнал на входе 3

Сигнал на входах 3 и 4 делится пополам, сигнал на входе 3 опережает сигнал на 4.

Волны, распространяясь в области щели на входах 3 и 4 встречают неоднородность. В результате появляются отраженные волны. Для их компенсации (для настройки моста) вводят регулируемый штырь. Можно регулировать либо переходное ослабление, либо направленность (развязку на входе 2 и уровень сигналов на входе 3 и 4). Также можно рассмотреть возбуждение с других входов.

Лекция 10

Устройства на ферритах

Магнитные свойства ферритов.

Феррит в обычном состоянии представляет собой керамику и ведет себя как диэлектрик в присутствии постоянного магнитного поля он проявляет анизотропные свойства.

Известно, что атом вещества состоит из ядра, вокруг которого на разных энергетических уровнях вращаются электроны. Вращение электронов вокруг ядра называется орбитальным вращением, которое является хаотическим. Кроме него существует вращение электрона вокруг собственной оси. Такое вращение называется спиновым (spin). Магнитные свойства ферритов определяются спиновым моментом вращения электронов. Электрон, как заряженная частица, при вращении вокруг оси может быть представлен в виде элементарной рамки с током, обладающей некоторым магнитным моментом . Посмотрим поведение этого электрона в присутствии постоянного магнитного поля H.

Под действием на электрон начинают действие силы, которые стремятся к поверхности вдоль силовых линий H. Однако при вращении вокруг оси электрон как материальное тело обладает механическим моментом вращения, благодаря которому ось вращения электрона стремится сохранить свое положение. В результате действия этих сил возникает эффект волчка, который называется прецессией электрона. В результате ось его вращения будет прецессировать с некоторой собственной частотой . Механические колебания переходят в тепловые, в результате прецессия электрона затухает и становится ориентированным вдоль . Приложим в плоскости прецессии электрона переменное магнитное поле . В этом случае возникает вынужденная прецессия электрона с частотой w. При этом часть энергии электромагнитного поля расходуется для поддержания этой прецессии.

Если , то произойдет ферромагнитный резонанс, при котором прецессия электрона максимальна, при этом большая часть мощности (энергии эмп) расходуется на поддержание прецессии электрона, с последующим ее преобразованием в тепловую, что вызывает существенный рост тепловых потерь в феррите. Свойства феррита удобно описать, рассматривая распространение плоской эм волны с вращающейся поляризацией. Пусть в феррите распространяется плоская, линейно поляризованная волна

Т. е. представим линейнополяризованную волну в виде 2 – х волн с вращающейся поляризацией и противоположным направлением вращения.

Если вращение вектора происходит по часовой стрелке, если смотреть в направлении распространения волны, то эту волну называют волной с правым вращением (правополяризованной), если против часовой стрелки, то имеем волну с левым вращением (левополяризованная волна).

Рассмотрим влияние на феррит лево и правополяризованных волн, если направление распространения волны совпадает с направлением H. Волна с правым вращением , совпадает с направлением прецессии электрона. Волна с левым вращателем имеет вектор , который вращается в направлении, противоположном прецессии , т. е. не оказывает влияние на прецессию.

и определяют свойства феррита.

При распределении волны с правым вращением в феррите будем иметь постоянную распределения , а с левовращателем .

Эффект ферромагнитного резонанса характерен только для волны с правым вращением. В дальнейшем будем различать продольно намагниченные ферриты, в которых направление эм волны совпадает с направлением постоянного подмагниченного поля, и поперечно намагниченный феррит, в котором направление распространения эм волны перпендикулярно направлению силовых линий подмагниченного поля H.

Лекция 11

Устройства на ферритах

Ферритовые вентили

Вентиль – устройство представляющее собой 4 – полюсник, волна рабочего затухания в котором будет различна в зависимости от направления передачи возбуждения с одного входа на другой.

Рассмотрим картину распределения силовых линий поля при распространении волны в прямоугольном волноводе.

Можно говорить о вращении поля по обе стороны от оси волновода и представить поле основной волны сложением полей волн с правым и левым вращением. Свойства феррита в этом случае можно характеризовать соответственно величинами и .

Схемы ферритовых вентилей.

1) Вентиль, использующий эффект ферромагнитного резонанса

В волноводе распространяется волна такого напряжения, что в месте расположения пластинки им. поля с правым вращателем. В этом случае феррит характеризуется волной . При ферромагнитном резонансе рез энергия эм поля волны расходится на раскачку прецессии электрона. Увеличение прецессии ведет к большим тепловым потерям на ферритах. В этом напряжении поля волны будет испытывать существенное ослабление. Волна обратного напряжения в волноводе пройдет через феррит как через диэлектрик.

2) Вентиль, использующий эффект смещения поля

Предположим, что поле в месте расположения ферритовой пластинки им. правое вращение. .

Для поля с левым вращателем (противоположным). Ферритовая пленка проявляет свойства диэлектрика, а поле E им. распределение поверхностной волны.

На поглощающей пленке возникает ток, что связано с тепловыми потерями для поля волны этого напряжения. Вентель в одном напряжении проходит без ослабления, а в другом напряжении поля волны будут существенно ослаблены.

Лекция 12

Циркуляторы на ферритах

Передача возбуждения направлена строго в одну сторону и зависит от направления подмагничивающего поля в феррите. При изменении подмагничивающего поля направление переноса энергии также меняется.

Фильтры СВЧ.

Основным назначением фильтров является избирательное пропускание одних частотных составляющих сложного сигнала и подавление других частотных составляющих. Фильтры представляют собой пассивные 4 – полюсники, основной характеристикой которых является фильтрация - фильтрация вносимых потерь или фильтрация рабочего затухания.

1. Определяется условие наилучшей отдачи мощности от генератора в нагрузку.

- надо определить

2. Между генератором и нагрузкой расположен пассивный четырехполюсник.

Тогда

Оказывается, что

В зависимости от поведения функции можно ввести классификацию фильтров:

1) ФНЧ

2) ФВЧ

3) ПФ

4) РФ

Расчет перечисленных фильтров удается свести к расчету одного из них, который называется фильтром прототипом НЧ. Для этого используют нормализацию частот, и нормализацию (нормировку) оконечных нагрузок, полагая ее равной 1 Ом.