Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч - страница 22

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 

Хвилеводи можуть бути однорідними і неоднорідними. Хвилевід, заповнений середовищем, властивості якого у поперечному перерізі залишаються незмінними, назива­ється однорідним. Якщо властивості середовища, не змі­нюючись у поздовжньому напрямку, змінюються в попе­речному, то хвилевід називають неоднорідним. Отже, хви­левід постійного перерізу, заповнений середовищем, яке складається із ізотропних і однорідних шарів різних ді­електриків, буде регулярним, але неоднорідним.

Регулярний хвилевід називається ізотропним, якщо середовище, яке його заповнює, ізотропне за електричними і магнітними властивостями.

 

г

 

 

 

 

 

Рисунок 4.2 - Основні лінії передачі діапазону НВЧ

 

Розглянемо основні поняття, які використовуються при аналізі регулярних хвилеводів, на прикладі хвилеводу уза-гальнено-циліндричної форми (рис. 4.3).          z

Рисунок 4.3 - Хвилевід узагальнено-циліндричної форми

 

Такий хвилевід складається із циліндричних металевих поверхонь Sj, S2, S3, ... , що утворюють бічну поверхню

хвилеводу S. Для опису бічної поверхні хвилеводу і полів у ньому використовується узагальнено-циліндрична сис­тема координат %, ц, z , у якій %, ц - поперечні коорди­нати, z - поздовжня координата.

При аналізі різних хвилеводів під координатами %, ц розуміються конкретні координати: x, y - у прямокутній системі при аналізі прямокутного хвилеводу; r, j - у ци­ліндричній системі при аналізі круглих і коаксіальних хви­леводів і т.д. Площина z = const перетинає поверхні Sj, S2, S3 (див. рис. 4.3) по контурах Ц, L2, L3, які утворю­ють контур поперечного перерізу хвилеводу L1. Частина площини z = const, розміщена між зовнішнім контуром Lj і внутрішніми контурами L2, L3, називається поперечним перерізом хвилеводу S1. Хвилевід із зовнішнім контуром

називається закритим. Якщо такого контура немає, то хви­левід називається відкритим і поперечний переріз необме­жений. Якщо число контурів поперечного перерізу дорів­нює pc, то хвилевід називається pc -зв'язаним.Виходячи із цього, лінії передачі можна також розділи­ти на багатозв'язні (кількість контурів pc >2, наприклад,

дводротова, коаксіальна і смугова лінії передачі) і одно-зв'язні (pc =1, наприклад, порожні металеві і діелектричні хвилеводи).

Розглянемо низку ліній передач, які найбільш часто використовуються на практиці.

 

4.2 Багатозв'язні лінії передачі

Характерною рисою розглянутих нижче дводротової, коаксіальної і смугової ліній передачі є те, що основним типом хвилі в них є T -хвиля, яка характеризується відсут­ністю дисперсії і, як наслідок, - рівністю фазової швидко­сті і швидкості світла для даного діелектричного середо­вища.

Характер розподілу полів у поперечній площині для біжучих T -хвиль збігається із розподілом статичних полів і підпорядковується рівнянню Лапласа.

Дво-

Дводротова лінія передачі являє собою два дроти, які розміщені у повітряному (на ізоляторах) або у діелектрич­ному середовищі із параметра­ми ea і ma (рис. 4.4). Енергія електромагнітного поля пере­дається по діелектрику вздовж дротів при l >>d. Частина енергії, яка надходить із ді­електрика в дроти, перетво­риться у тепло. Швидкість пе­редачі енергії дорівнює швидкості руху електромагнітної

хвилі в діелектрику v = 1/у]eama . При високих частотах (дециметрові хвилі) така лінія не може використовуватисядля передачі енергії, тому що вона вже активно випромі­нює енергію в навколишній простір. При цьому втрати енергії в дротах за рахунок явища скін-ефекту (див. п. 3.6, приклад 3.3) стають значними.

Коаксіальний хвилевід - найпоширеніша лінія переда­чі. Використовуються як жорсткі хвилеводи з повітрям, так і гнучкі з діелектричним заповненням (коаксіальні кабелі).

Отримати аналітичні вирази для полів біжучої T -хвилі можна, розглядаючи у виразах для статичних E H -полів струм і напругу як миттєві значення, що дорівнюють відповідним значенням амплітуд, помножених на хвильо­вий множник:

E


cos (со t - kz),H


cos (со t - kz)Напрямок векторів E, H і характер їх зміни у просто­рі для фіксованого моменту часу показані на рис. 4.5. Із ча­сом уся картина розподілу полів зміщується вздовж осі z зі швидкістю світла.

ее


 

 

 

 

if VvV if


 

 

 

zH

 

Рисунок 4.5 - Розподіл полів у коаксіальному хвилеводіВажливим параметром коаксіальних ліній є так званий хвильовий опір, який у цьому випадку визначається як від­ношення амплітуд напруги і струму для падаючої хвилі. Враховуючи, що для T -хвиль відношення амплітуд E і H дорівнює хвильовому опору середовища, отримуємо

 

 

Коаксіальний хвилевід можна використовувати для будь-яких частот, включаючи постійний струм. Однак на високих частотах у ньому можуть збуджуватися вищі типи хвиль і значно зростати теплові втрати. Тому верхня часто­та використання обмежена найближчим вищим типом хви­лі H11 , який має критичну довжину хвилі, що приблизно

дорівнює довжині середнього кола поперечного перерізу коаксіальної лінії. Тому в діапазоні НВЧ коаксіальні хви­леводи в основному використовуються у вигляді коротких відрізків сполучних кабелів.

Смугові лінії передачі. У радіоелектронній апаратурі широке застосування знаходять друковані схеми, викорис­тання яких дозволяє спростити конструкції елементів і вуз­лів, знизити їхню масу, зменшити габарити, удосконалити процес виготовлення. Технологічні методи створення зви­чайних друкованих схем виявилися прийнятними і у діапа­зоні НВЧ для виготовлення смугових ліній (СЛ) передачі.

Смугову лінію (хвилевід) можна одержати, деформую­чи коаксіальний хвилевід (рис. 4.5) із круглим поперечним перерізом так, щоб перетин його внутрішнього і зовніш­нього провідників став прямокутним. Вилучивши вузькі стінки зовнішнього провідника, одержимо симетричну смугову лінію (ССЛ) (рис. 4.6 а), а при усуненні однієї із зовнішніх пластин - несиметричну смугову лінію (НСЛ) (див. рис. 4.6 б).Симетрична СЛ утворюється внутрішнім провідником прямокутного поперечного перерізу (смужкою), симетрич­но розміщеним між двома заземленими пластинами, які є зовнішніми провідниками лінії (екраном). Лінія може мати діелектричне або повітряне заповнення, бути відкритою або екранованою з боків.

 

-----  E H

а б Рисунок 4.6 - Розподіл полів у поперечному перерізі симетричної (а) і несиметричної (б) смугових ліній

 

Несиметрична СЛ являє собою провідник прямокутно­го (стрічкового) перетину, розміщений над заземленою пластиною, що є другим провідником лінії. При аналізі НСЛ розрізняють два випадки: 1) провідники містяться в однорідному діелектрику (на практиці заповнення звичай­не повітряне); 2) провідники розділені шаром діелектрика - основою (підкладкою) із діелектричною проникністю бі­льшою ніж у навколишнього простору. Лінію в цьому ви­падку називають мікросмуговою лінією передачі (МСЛ).

Симетрична і несиметрична СЛ являють собою два ос­новні типи СЛ. У рамках цих двох типів конструкції СЛ відрізняються більшою різноманітністю залежно від спо­собу закріплення смужки, характеру заповнення простору між пластинами і смужкою. Відзначимо, що недоліком НПЛ вважається неповне екранування поля і підвищені втрати на випромінювання. Симетричні СЛ мають гарне екранування, однак їх виготовлення і налагодження більш складне.Основне застосування СЛ знайшли в пристроях НВЧ-апаратури, які довгий час стримували вирішення проблеми комплексної мініатюризації. Використання матеріалів з малими втратами і високою відносною діелектричною проникністю, прогрес технології привели до освоєння МСЛ, виготовлених методом плівкової технології. Праг­нення поліпшити характеристики пристроїв НВЧ стиму­лювала поява інших модифікацій ПЛ. До них належать, наприклад, щілинні і компланарні лінії передачі. Щілинна лінія (рис. 4.2 б) утворюється вузькою щілиною в провід­ному шарі, нанесеному на поверхню основи у вигляді тон­кої діелектричної пластини. Інша поверхня пластини за­лишається вільною від покриття. Компланарна лінія скла­дається із розміщених на поверхні діелектричної основи центральної смужки і двох паралельних їй заземлених про­відників.

Для компланарної, симетричної і несиметричної ліній основною є квазі T -хвиля. Її існування обумовлене наявні­стю ізольованої смужки, яка забезпечує двозв'язність по­перечного перерізу лінії. Можна вважати, що вектори поля лежать у площині поперечного перерізу СЛ і не мають по­здовжніх складових (див. рис. 4.6).

Діапазон частот СЛ досить широкий: від метрового до міліметрового. Обмеження з боку низьких частот обумов­лені розмірами смугових елементів, а на високих частотах - допусками на виготовлення, а також рівнем втрат. Більш докладну інформацію щодо смугових ліній передачі можна знайти в [23].

 

4.3 Однозв'язні лінії передачі

Характерною рисою однозв'язних ліній передачі є на­явність тільки E - і H -хвиль, для яких характерна диспер­сія.За приклад однозв'язної лінії розглянемо прямокутний хвилевод. Прямокутні хвилеводи (рис. 4.7) широко вико­ристовуються при передачі електромагнітних хвиль, особ­ливо при високих рівнях потужності. Для спрощення бу­демо вважати, що втрати на стінках хвилеводу і в діелек­трику, що його заповнює, відсутні. Це дає можливість простіше сфор­мулювати граничні умови: на стін­ках хвилеводу відсутня дотична складова електричного поля ( Ey = Ez =0   при   x =0   і    x = a,

Ex = Ez =0 при y =0 і y = b ). Щоб

не визначати сталі інтегрування для кожної складової поля, скори­стаємося таким прийомом: запи­шемо вираз для поздовжньої скла­дової поля у формі (3.48), а поперечні знайдемо із (3.49), при цьому можна обійтися без формулювання граничних умов для магнітного поля. Крім того, припущення про не­скінченну довжину хвилеводу дозволяє розглядати лише падаючу хвилю. Деякі особливості E - і H -хвиль вимага­ють їхнього роздільного аналізу.

H -хвилі (Ez =0). Запишемо вираз для амплітуди (хви­льовий множник опускаємо) поздовжньої складової маг­нітного поля: Hz = jH0 cos(kxx + jx)x cos(kyy + jy ), під­ставляючи його в (3.49), отримуємо вираз для поперечних складових:Ex


H0 kywmm0 cos (kxx + jx ) sin (kyy + jy ) (k2-K2)     Н о kxOMoSm (кхх+jx )cos (kyy+j)

Ey =------------------------------------------- <41)

 

H    =     H0 kxK Sin (kxX + jx )C0S (куУ + jy )

= "                 (k2 2) '

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 


Похожие статьи

Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч