2. Линии передачи т-волны. Основные разновидности и их сравнительная характеристика. Влияние дисперсии на распространение узкополосных и широкополосных сигналов. (Богачков)

Направляющие системы в виде линии передачи Т-волны широко применяются в радиотехнике в диапазоне от низких частот и до СВЧ. Данные ЛП обладают малой дисперсией и малым затуханием в диапазонах ВЧ-УВЧ. Линии передачи Т-волны должны состоять из двух или нескольких проводников, пространство между которыми заполнено однородным диэлектриком. Волна Т в них является основной и единственной практически используемой. Размеры линий выбирают обычно такими, чтобы в них не возникли волны высших порядков типа Е и Н. Широко известны коаксиальная, симметричные двухпроводная и четырехпроводная, а также полосковая линии.

Коаксиальные линии

Поле коаксиальной линии экранировано от внешней среды наружным проводником. Достоинством такой линии по сравнению с полым волноводом является возможность передачи по ней сигналов низших частот при небольших поперечных размерах.

(а - радиус внутреннего проводника, b - внешнего).

Внешний проводник КЛ одновременно является экраном, поэтому все ЭМП сосредоточено внутри линии в пространстве между проводниками.

Внутренний проводник необходим для осуществления в линии волны-Т. Плотность тока внутреннего проводника, обратно пропорциональная его периметру, значительно больше чем в наружном, поэтому он является основным источником потерь. Устройства для крепления внутреннего проводника увеличивают затухание линии и создают в ней отражения.

Диапазон использования коаксиальных линий начинается с нулевых частот. Верхний предел ограничен возрастающими с частотой тепловыми потерями и отражениями от диэлектрических шайб; должно выполняться также условие одномодового режима.Для повышения гибкости КЛ внутренний проводник не имеет жесткого крепления с диэлектриком, а внешний проводник выполняется в виде оплетки. Гибкие кабели небольшой длины применяют до частот поряка 10 ГГц.

Антенные фидеры на значительные мощности длиной до нескольких сотен метров используются в диапазоне до сотен мегагерц.

Двухпроводная линия

Поперечное сечение ДЛ(а – радиус проводника, D – расстояние между осями проводников). Хотя данная линия является открытой, при выполнении условия квазистационарности считается, что все ЭМП ДЛ сконцентрировано вокруг линии внутри окружности радиусом 5D. Однако на ВЧ и выше ДЛ начинает заметно излучать, так как внешние ЭМП, создаваемые противоположно направленными токами в проводах, компенсируются не полностью. При малых расстояниях между проводниками проявляется эффект близости, который заключается в появлении ассиметрии в распределении тока по сечениям проводников, что увеличивает затухание ДЛ. При эффектом близости можно пренебречь. Проводники ДЛ одинаковы, поэтому при аналогичных с КЛ размерах затухание в проводниках линии будет меньше.Диапазон использования такой линии начинается с нулевых частот. На высоких частотах, когда длина волны становится соизмеримой с расстоянием между проводами, линия начинает заметно излучать, так как внешние электромагнитные поля, созданные противоположно направленными токами в проводах, полностью не компенсируются. Это ограничивает диапазон использования линий сверху.

Характеристическое сопротивление таких линий Z_с=500÷600 Ом, частоты передаваемых сигналов обычно не превышает 120 кГц. Аналогичные линии используются в качестве антенных фидеров на приемных и передающих радиоцентрах до частот 30÷50 МГц. Применяют также витые пары проводников. Скручивание уменьшает излучение линии и протяженность внешнего поля, такая линия может применяться до частот порядка сотен МГц.

Четырехпроводная линия

Представляет собой две параллельные двухпроводные линии, расположенные одна под другой. В

ней распространяются два типа Т-волн - синфазная и антифазная. Такая линия меньше излучает на высоких частотах и принимает из окружающего пространства. Предельная мощность четырехпроводной линии примерно в два раза больше, чем у двухпроводной. Симметричные четырехпроводные линии часто используются в качестве антенного фидера мощных передатчиков кв, дв и св диапазонов; здесь ценятся ее меньший коэффициент затухания и удобство соединения с передатчиком и антенной.

Полосковые линии

Используются преимущественно в сантиметровом и дециметровом диапазоне диапазонах. Их изготавливают на основе диэлектрических пластин, покрытых металлической фольгой толщиной

10÷100 мкм. Нессиметричная линия конструктивно наиболее проста (рис.а), однако имеет существенный недостаток: часть волны распространяется в воздухе и вызывает нежелательные связи с другими элементами схемы.

Симметричная линия (рис.б) – практически полностью экранирована, поле на краях практически отсутствует. Конструктивные параметры ПЛ таковы: h – толщина центрального проводника; w – ширина центрального проводника; b – расстояние между пластинами; - диэлектрическая проницаемость среды. Аналогично для микрополосковой линии(МПЛ, рис. в): h – толщина центрального проводника; w – ширина центрального проводника; b – толщина диэлектрической подложки; - диэлектрическая проницаемость подложки; - диэлектрическая проницаемость неограниченно простирающейся среды над подложкой и центральным проводником. Для минимизации дисперсии у изготовляемого устройства применяют заполнение диэлектриком верхнего над малым проводником пространства, что делает похожей структуру ЭМП в МПЛ на структуру ЭМП в СПЛ.

Влияние дисперсии на распространение узкополосных и широкополосных сигналов

Дисперсия – явление зависимости параметров линии от частоты. Оценка дисперсии в ЛП Т-волны проводится в предположении малости потерь, что позволяет разделить потери в проводнике и потери в диэлектрике. Появление потерь вызывает появление продольных составляющих ЭМВ, но при малых потерях отличие ЭМП от ЭМП Т-волны пренебрежимо мало. . В закрытых линиях . - дисперсионная добавка коэффициента фазы. Кроме изменения и , а также групповой и фазовой скоростей, потери вызывают частотную зависимость характеристического сопротивления: , где -дисперсионная добавка. Для примера возьмём случай распространения ЭМВ между двумя проводящими плоскостями. В данном случае фазовая скорость

, длина волны, волновое сопротивление

V, λ, Z – параметры в среде с неограниченными параметрами, d – расстояние между плоскостями.

Из вышесказанного следует: в линиях связи, обладающих сильной дисперсией, невозможна передача широкополосного сигнала из-за вносимых каналом связи искажений.