3. Линии передачи в радиосистемах. Основные типы (классификация направляемых волн и направляющих систем). Сравнительная характеристика. (Богачков)

Направляющая система(линия передачи) – это устройство, предназначенное для передачи ЭМ энергии в заданном направлении. ЭМВ в устройствах и системах связи должна распространяться по определенному пути с минимальными потерями, не взаимодействуя с другими волнами. Проводник, диэлектрик и любая граница раздела сред с различными электрическими свойствами(металл–диэлектрик, диэлектрик-воздух) могут формировать канал, в котором будет преимущественно распространяться ЭМВ. Электромагнитную волну, распространяющуюся в направляющей системе, называют направляемой. Направляемые ЭМВ являются неоднородными, так как вне направляющей системы их ЭМП очень мало. ЛП называется регулярной, если она прямолинейна, и ее поперечное сечение неизменно по длине.

Наиболее типичные направляемые системы: двухпроводная линия (кГц), коаксиальный кабель (МГц), линия поверхностной волны (МГц-ГГц), полосковые линии и полые металлические волноводы (ГГц), диэлектрический волновод (ТГц).

Роль направляющей системы могут выполнять металлические(кабель, волновод), диэлектрические(световоды, диэлектрические волноводы), металлодиэлектрические(линии поверхностной волны) линии передач. Для того, чтобы ЭМВ перемещалась в ЛП, необходимо нахождение и в поперечной плоскости(S) .

Классы волн:

Класс ТЕМ (поперечные электромагнитные волны):

ЭМВ разделяют по наличию или отсутствию продольных составляющих. Если продольные составляющие отсутствуют( ), волна имеет только поперечные составляющие и . Такую волну называют поперечной(или Т-волной). Коэффициент распространения волны ТЕМ всегда равен коэффициенту распространения волны в среде, которой заполнена данная направляющая система. Это исключает возможность существования волны ТЕМ в системе, состоящей из двух или нескольких разнородных диэлектрических слоев.

Классы Е и Н. В направляющих системах могут также распространятся электромагнитные волны, поле которых имеет одну продольную составляющую или . Эти волны существуют в односвязных и многосвязных волноводах с металлическими стенками и однородным диэлектрическим заполнением, а также структурах, состоящих из нескольких диэлектрических слоев.

Классификация направляемых волн.

– Т-волна (чисто поперечный характер)

–Н-волна(магнитная волна)

– Е-волна(электрическая волна)

-гибридная

Е – и Н – волны характерны для односвязных волноводов, гибридные – для линий передачи поверхностных волн, диэлектрических волноводов и световодов.

Линии передачи в радиосистемах (в т.ч. Т-волны).

Продольно-однородной (регулярной) направляющей структурой называют линию передачи, все геометрические и физические параметры которой не изменяются вдоль длины линии. На рисунке представлены наиболее широко используемые на практике направляющие структуры: а) – двухпроводная линия, б) – коаксиальная линия, в) – полосковая линия, г) – микрополосковая линия, д) – прямоугольный волновод.

Такое разделение обусловлено различными подходами к описанию волновых процессов в этих классах направляющих структур. Как известно, поле Т-волны в поперечном сечении совпадает со

стационарным полем в той же структуре, токи в проводниках протекают только в продольном направлении. Поэтому можно рассматривать традиционные в радиотехнике величины – напряжение между проводниками U, силу тока в проводнике I, и проводить анализ “волн” токов и напряжений

линии. Для Т-волны напряжение и ток в произвольном поперечном сечении с координатой x определяются следующим образом: .(1) где A, B – точки на поверхности проводников; L – контур, охватывающий один из проводников;

Для второго класса направляющих структур возможен только электродинамический “полевой” подход, однако для анализа волн в регулярной структуре он оказывается излишне подробным. В этих линиях передачи вводят эквивалентные напряжение и ток для конкретного типа волны (чаще всего – для основной волны): .

где – волновое сопротивление данного типа волны в Е- или Н- классе; - мощность, передаваемая волной в структуре; – поперечные компоненты полей; S – поперечное сечение структуры.

Отношение амплитуд напряжения и тока есть величина постоянная для данной линии передачи, его называют волновым сопротивлением линии:

Волновое сопротивление является основной характеристикой линии передачи с Т-волной. Оно зависит от формы и геометрических размеров направляющей структуры и параметров заполняющего ее диэлектрика. Волновое сопротивление самой Т-волны определяется как отношение амплитуд полей и зависит только от параметров среды.

Классы ЕН и НЕ. Волны, поле которых имеет одновременно обе продольные составляющие и , называют гибридными и обозначаются ЕН или НЕ в зависимости от величины отношения . Эти волны возникают в волноводах, состоящих из нескольких сред с различающимися параметрами, например, в диэлектрическом стержне, окруженном воздухом.

Классификация направляющих систем.

Направляющие системы ЛП можно классифицировать в зависимости от количества независимых проводящих поверхностей. Различают направляющие системы нулевой связности, односвязные, двухсвязные и многосвязные.

В линиях нулевой связности – проводящие поверхности отсутствуют. Направленная передача получается за счет явления полного внутреннего отражения. К данному классу относятся световоды (оптоволокно, ВОЛС) и диэлектрические волноводы(линии передачи поверхностных волн). Основной тип волн – гибридная волна типа .

Односвязные ЛП ограничены только одной проводящей поверхностью. Односвязные волноводы представляют собой металлическую трубу с определенной формой поперечного сечения: прямоугольный, круглый. Основной тип ЭМВ – H-волны. Для данной линии характерна большая дисперсия, поэтому обычно при передаче используют узкополосные сигналы.

Двухсвязные ЛП имеют две независимые проводящие поверхности. Распространение ЭМВ возможно на всех частотах, начиная с постоянного тока. К данному классу относятся КЛ, двухпроводная, полосковая, Микрополосковая линии. Основной тип ЭМВ – Т-волна. Характерна малая дисперсия.

Многосвязные ЛП имеют более двух независимых проводящих поверхностей. К данному классу можно отнести экранированную двухпроводную, четырехпроводную, многопроводную линии связи, а также различные виды связанных полосковых и микрополосковых линий. Линии данного типа тспользуют для многоканальной передачи.

Направляющие системы делятся на ускоряющие и замедляющие. В первом случае фазовая скорость больше, а во втором меньше. Ускоряющие – металлический и диэлектрический (только если его поперечные размеры больше λ) волноводы. ЭМП практически полностью изолировано, могут распространяться Е- и Н-волны. Диэлектрический волновод с малыми поперечными размерами и проводниковые линии – замедляющие направляющие системы. ЭМП сосредоточено около замедляющей направляющей системы, убывая при удалении от неё, т.е. образуя поверхностную волну, которая может иметь структуру Е или Н, либо обе продольные составляющие ЕН- или НЕ- волны. В случае проводниковой линии поле имеет структуру Е-волны. Продольная составляющая вектора Е в проводниковых линиях мала по сравнению с его поперечной составляющей. Вследствие этого ЭМП в таких линиях практически имеет структуру ТЕМ – волны.

Коэффициентом отражения называется комплексная величина, равная отношению комплексных амплитуд отраженной волны к падающей .Модуль Г не превосходит единицы .Выразим через и волновое сопротивление линии : .

Электрической длиной линии называют величину , где h – длина ЛП. Модуль коэффициента отражения определяется соотношением величин сопротивления нагрузки и волнового сопротивления ЛП, а его фаза – электрической длиной линии.

Коэффициент стоячей волны (КСВ) является важной характеристикой волнового процесса в линии передачи. КСВ напряжения (КСВН) – это отношение максимальной амплитуды колебаний напряжения в линии к минимальной : . Иногда вводят КСВ тока – отношение соответствующих амплитуд тока в линии, но чаще используется КСВН. , . Коэффициент бегущей волны .