Потери в линиях передачи электромагнитной энергии

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Источники потерь:

1. Конечное значение проводимости металла (есть составляющая Е касательная к металлу, а следовательно существует средний за период поток мощности направленный в глубь металла);

2. Небольшие токи проводимости в диэлектрике, заполняющем волновод (как правило, небольшие потери по сравнению с потерями в металле);

3. Потери на излучение в окружающее пространство. (Если линия спроектирована без ошибок, эти потери не велики).

Е

Для учета потерь следует предположить, что продольное волноводное число – комплексная величина:

,

где погонное затухание линии передачи, выраженное в Нп/м. В технике чаще пользуются величиной выраженной в дБ/м.

, причем .

В любом фиксированном сечении произвольной линии средняя мощность, переносимая волной Р₀ – в точке z = 0: .

Т.к. волноводы делают из хорошо проводящих металлов, то на металле будут выполняться граничные условия Леонтовича Щукина.

Дифференцируем выражение для P(z) по z:

и (4.1)

Изменение мощности обусловлено потерями:

.

L-контур поперечного сечения линии, а мощность переносимая по волноводу: .

и с учетом (6.1): .

Определим величины под интегралами: .

Из условий Леонтовича: ,

где Z_CM= и .

Таким образом, если известны частота сигнала, проводимость стенок и структура поля в волноводе, то:

(4.2)

Коаксиальный волновод:

(4.3)

Построим зависимость затухания в волноводе от соотношения радиусов. Минимум наблюдается при b/a=3,6. При увеличении отношения (при b = const) растет плотность тока в центральном проводнике - увеличивается. При уменьшении отношения – сокращается область между проводником - растет.

Чем больше , тем больше будут влиять потери в диэлектрике.

b/a

3,6

Это соотношение соответствует величине волнового сопротивления: Ом.

При затухание в КЛ становится много больше, чем в полых волноводах.

Прямоугольный и цилиндрический волноводы:

Волна

f кр f кр fopt f

Зависимости от частоты изобразим качественно, .

Из графика видно, что диапазон одномодовой работы и диапазон минимального затухания не совпадают при a/b = 2, . При частоте приближающейся к потери растут примерно по закону: , за счет уменьшения толщины поверхностного слоя (повышения сопротивления).

Приводить выражение для круглого волновода не будем, характер тот же для всех типов волн, кроме волны типа Hom, для этой волны потери неограниченно убывают при увеличении частоты (объясняется это тем, что есть только азимутальные составляющие тока, которые убывают по амплитуде с ростом частоты).

Hom

f кр f

Существенный выигрыш можно получить при . Получаемое затухание 1 2 дБ/км. Например, d = 60мм, f = 35 100 ГГц, такой полосы достаточно на 300 тысяч телефонных каналов или на 240 телевизионных каналов. Ограничение для других типов волн делают в виде колец или спирали, наносят на металл поглощающую пленку и т.д.

Полосковая линия (ПЛ):

С точки зрения затухания полосковая линия подобна коаксиальной линии. В случае сплошного диэлектрического заполнения затухание в ПЛ соизмеримо с КЛ, диаметр внешней оплетки которой равен 2в. Главное отличие от КЛ в том, что здесь нет оптимального с точки зрения потерь соотношения между размерами проводников.

а = const

b = const

a/b

Выбор типа линии и размеров поперечного сечения ведется исходя из заданного значения КПД, максимальной пропускаемой мощности Р_ДОП, работы на единственном типе колебания (одномодовый режим), в заданном диапазоне частот f_MAX - f_{MIN ,} при минимуме вносимых искажений.

Линия должна обладать необходимой степенью экранировки (ЭМС) и разумеется конструктивно – экономические факторы (габариты, вес, стоимость и т.д.).

Распространение ЭМВ в линиях конечной длины

Обрыв линии передачи, подключение нагрузки и т. п. – эквивалентно изменению граничных условий.

На конце линии образуется новая структура поля отвечающая новым граничным условиям. Это изменение трактуют как появление в линии, кроме основной (падающей) волны, волны, распространяющейся от конца к началу (отраженной), причем, если линия работает в одномодовом режиме, то структура отраженной волны не отличается от падающей.

Коэффициент отражения в любом сечении линии: .

Наличие отраженной волны приводит к изменению входного сопротивления отрезка линии.

КПД линии

КПД – отношение активной мощности Р_Н , выделяемой в нагрузке к активной мощности, подводимой ко входу: h =Р_Н/Р.

Если в линии режим бегущей волны (R_Н=Z_В), то .

Е и Н связаны через сопротивление линии и h =е^{-2 LZ} » 1-2LZ.

Если нагрузка не согласована, надо учитывать отражение: .

После подставки: h =е^{-2 LZ} (1- R ² ).

Из графика, там, где потери малы, h для различных КБВ почти совпадают (LZ<0,1).

В диапазоне КВ особой степени согласования не надо и допустимы значения КБВ≥0,3 ¸0,5.

В диапазоне СВЧ КБВ³0,8¸0,9.

Возбуждение ЭМ колебаний

Для возбуждения ЭМК в линиях передачи необходимо вводить специальные устройства – носители сторонних источников (токов, зарядов и полей).

Эти устройства называют – возбуждающие устройства (ВУ).

В большинстве случаев, это различные модификации электрического и магнитного вибраторов.

Из теоремы единственности следует, что задав функцию распределения сторонних источников и граничные условия, можно однозначно определить структуру поля. Это накладывает ограничения на конструкцию возбуждающего устройства и его положение в линии передачи.

Точное распределение сторонних источников задать практически не возможно, единственный критерий правильности – совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Основные требования к ВУ.

1. ВУ должно обеспечивать эффективное возбуждение желаемого типа волны и, по возможности, должно затруднять возбуждение всех других типов волн.

2. Коэффициент отражения от возбуждающего устройства должен быть минимальным в нужной полосе частот.

3. ВУ должно иметь электрическую прочность, достаточную для пропускания необходимой мощности.

Вибратор - это короткозамкнутый отрезок однопроводной линии с косинусоидальным распределением тока, которая теряет энергию на излучение.

В общем случае входное сопротивление вибратора комплексное.

Активная часть характеризует мощность, отдаваемую волне Н, реактивная часть – реактивная мощность полей в близи вибратора.

Желательно, чтобы мнимая часть была равна 0, а активная - равна волновому сопротивлению коаксиальной линии.

Полная мощность, отдаваемая штырю коаксиальной линией: .

Входное сопротивление:

r₀ - радиус вибратора.

По этой формуле, как показывают расчёты, сопротивления коаксиальной линии значительно больше. Снизить сопротивление можно, либо сместив штырь к боковой стенке, либо существенно увеличив его толщину, это, кроме того, позволяет уменьшить индуктивное по характеру реактивное сопротивление линии.

Часто в широкополосных устройствах используют ВУ пестиковой формы.

Т.к. вибратор по обе стороны от себя возбуждает синфазные электрические поля почти равной амплитуды, то пока он расположен по центру, он может возбуждать только колебания типа Н₁₀,Н₃₀,Н₅₀…., а чётные не возбуждает.

Общее для волноводов правило:

Для эффективного возбуждения в волноводе с любой формой поперечного сечения одного из типов волн электрический вибратор необходимо помещать: 1) параллельно силовым линиям электрического поля волны желаемого типа; 2) в сечениях близких к пучности электрического поля этой волны.

Если пучностей несколько – можно помещать вибраторы в каждую с учётом фазового сдвига.

Чтобы обеспечить распространение энергии в одном направлении, надо обеспечить отражённую волну в фазе с прямой.

Расстояние l выбирают с учётом того, что на металле R = -1.

Рамка с током

Обычно периметр рамки выбирают много меньше.

Отверстия связи

Через отверстие в боковой оболочке часть силовых линий ЭМП ответвляется и возбуждает ЭМП в соседнем пространстве.

Отверстия эквивалентны одновременно штырю и рамке.

Размеры отверстий, как правило, берут значительно меньше , чтобы не нарушать структуру в основном волноводе.

Причём два волновода не обязательно одинакового сечения.

Элементы СВЧ трактов

Волноводные тройники

Н – плоскостное разветвление на эквивалентной схеме представляется параллельным соединением линий, так как продольные токи на широких стенках в месте соединения разветвляются на два направления.

2 3

1

W X W

4

2 3

1

W

W B W

2 3

Направление электрического вектора не меняется.

В то же время, разветвление представляет собой неоднородность и, следовательно, здесь будут возбуждаться поля высших типов - реактивное сопротивление (Х), в зависимости от соотношения между λ и a x в, может быть, индуктивного или ёмкостного характера.

Т - образное разветвление в плоскости Е имеет то свойство, что при переходе энергии из плеча 1 в 2-3, фазы в них противоположны, но мощность делиться пополам (нагрузки согласованные).

При подаче мощности в любое другое плечо, она в общем делиться не поровну за счёт неоднородности и, чтобы обеспечить симметрию, надо использовать либо диафрагмы, либо штыри, либо ступенчатые трансформаторы.

Из сравнения Н и Е тройников следует, что у Н – больше Р_пред, а у Е шире полоса частот, но при этом они оба узкополосные.

Основные свойства волноводного тройника.

1. Если А и Б нагружены на одинаковые нагрузки (не обязательно согласованные), находящиеся на одинаковом расстоянии, то при подаче в Г мощность, которая делиться поровну между А и Б и не поступает в В, т.е. плечи В и Г развязаны.

2. Энергия из плеча В делиться между А и Б и поступает в противофазе.

3. Из плеча Г в плечи А, Б в фазе.

4. При возбуждении плеч А и Б в плече Г – сумма амплитуд, в плече В – разность.

5. При подключении к любым трём плечам согласованных нагрузок, четвёртое плечё также оказывается согласованным.

Сочленение отрезков линий передачи

Для упрощения ремонта и транспортировки волноводные тракты делают разборными.

Даже едва заметный зазор в линиях приводит к ощутимым отражениям в тракте.

Излучение через зазор приводит к увеличению потерь и паразитным связям (в том числе отрицательное влияние на обслуживающий персонал).

Сопротивление контакта малая, но конечная величина, а при поверхностных токах порядка 300А (при Р=Р_пред и λ=10см) количество энергии выделяемой на нём очень значительно.

Обычно применяют контактные и дроссельные сочленения.

При контактном – качество определяется точностью механической обработки. Иногда между фланцами вводят контактные прокладки с пружинящими лепестками, для герметизации – специальные резиновые прокладки.

Коэффициент отражения в промышленных образцах не более 0,001 при потерях 0,01 дБ во всей рабочей полосе частот.

Недостаток – стоимость и ухудшение качества при неоднократных разборках и сборках из-за окисления.

Структура на l ₂ – H ₁₁ в коаксиальной линии: l ₂ = λ/4.

На участке l ₁ - υ_ф = υ_Т-типа = с, то есть l₁= λ₀ /4 и сопротивление R₅ →R₁₂.

Недостаток - узкополосность.

KCB ≤ 1.05

∆f/f₀ =±15%

l₁= λ ₀ /4

l₂ = λ_H11 /4

Элементы конструкций линий передачи СВЧ

Для сборки и разборки используют специальные разъёмы.

Необходимые свойства разъёмов:

1. Разъёмы должны обеспечивать надежный электрический контакт;

2. Они не должны снижать электрическую прочность;

3. Не должны вносить значительных отражений в тракт;

4. Должны обеспечивать требуемый уровень электрогерметичности.

В волноводах используют:

1.Неподвижные прямые соединения.

- для коаксиальных линий, в виде ВЧ штепсельных разъёмов (фишек).

Герметизацию обычно обеспечивают резиновой прокладкой, а надежный электрический контакт - применением пружинных юбок на внешнем и внутреннем проводах соединения.

- для волноводов неподвижные прямые соединения, называют фланцами. Неразборные фланцы выполняют с помощью муфт и последующей пайкой.

У наиболее простых контактных разборных фланцев главный недостаток, что при частых сборках и разборках они мало надежны.