Коаксиальные волноводы
Коаксиальный волновод представляет собой систему, состоящую из двух соосных металлических цилиндров, разделенных слоем диэлектрика. На рис. 4.14 приведено схематическое изображение коаксиального волновода.
Рис. 4.14. Коаксиальная линия передачи
Диаметр внутреннего цилиндра на рис. 4.14 обозначен d, внешнего – D. К основным достоинствам коаксиальных линий передачи относятся следующие: 1) широкополосность, т.е. способность пропускать широкую полосу рабочих частот; 2) электромагнитное поле, имеющее структуру ТЕМ-волны, распространяется в пространстве между цилиндрами и во внешнюю среду волна не выходит, т.е. отсутствует паразитное излучение; 3) возможность изготовления в виде гибких коаксиальных кабелей. Благодаря таким достоинствам, коаксиальные волноводы нашли широкое применение. Чаще всего их используют для соединения узлов и блоков радиоаппаратуры. Такие волноводы применяют в метровом и в сантиметровом диапазонах, обычно не выше 20 ГГц, их могут использовать и на более высоких частотах в виде коротких отрезков. Незначительная длина волноводов в таких случаях обусловлена большим затуханием, составляющим более 1дБ/м. Коаксиальные кабели изготавливают в виде жестких и гибких конструкций. Установлено, что по коаксиальному кабелю могут передаваться волны любых частот, включая частоту постоянного тока. Структура поля электромагнитной волны соответствует типу ТЕМ, т.е. EZ=0, НZ=0. При изучении распространения электромагнитной волны вдоль коаксиальной линии передачи применяют цилиндрическую систему координат, которая задается углом j, радиусом r и координатой z. На рис. 4.14б показана структура ТЕМ волны, распространяющейся внутри коаксиального кабеля. Напряженность электрического поля имеет только одну радиальную составляющую, т.е. векторы
где r – радиус, I – сила протекающего тока, Zc – волновое сопротивление среды, заполняющей пространство между цилиндрами, e – относительная диэлектрическая проницаемость. Напряженность электрического поля записывают также в виде
Отметим, что рабочий диапазон частот коаксиальных линий передачи энергии ограничен только со стороны высоких частот, т.к. при высоких частотах возможно возбуждение высших типов волн. Для коаксиальной линии ближайшим высшим типом волны является волна Н11, структура которой является сходной со структурой волны Н11 в круглом волноводе. Для волны Н11 критическая длина волны определяется формулой
где D – диаметр большого цилиндра, d – диаметр малого цилиндра. Из формулы (4.32) видно, что высшие типы волн появляются тогда, когда длина волны возбуждающих колебаний становится меньше полусуммы периметров проводников. Таким образом, минимальная длина волны, распространяющейся в коаксиальном волноводе, определяется формулой
Дальнейшее уменьшение размеров ограничено, т.к. связано с увеличением тепловых потерь, уменьшением электрической прочности и усложнением технологии изготовления. Для коаксиальной линии расчет напряжения и волнового сопротивления производят по формулам
Пробивное напряжение коаксиального волновода определяется формулой
где Для коаксиального волновода с воздушным заполнением
Предельная мощность, которая может передаваться по коаксиальному волноводу, определяется соотношением
Затухание волны в коаксиальном кабеле вызвано потерями энергии, обусловленными тепловыми потерями в проводнике и в диэлектрике. Для коаксиальной линии с медными проводниками потери можно рассчитать, исходя из формулы
где e – относительная диэлектрическая проницаемость, f – линейная частота, D, d – диаметры соответственно внешнего и внутреннего цилиндрических проводников. Минимальное затухание в коаксиальной линии передачи энергии достигается при Стандартные значения волновых сопротивлений применяемых коаксиальных кабелей соответствуют 50 и 75 Ом.
4.9. Однопроводная линия передачи [13]
Рассмотрим распространение электромагнитной волны вдоль одиночного проводника, покрытого тонким слоем диэлектрика. Такая линия называется однопроводной линией передачи, или линией поверхностной волны (ЛПВ), или линией Губо. Теория линии Губо разработана давно, но широкого практического применения ЛПВ не нашла. Очередной интерес к ЛПВ связан с реализацией возможности ее применения для построения антенных решеток жестких и гибких конструкций с высокой технологичностью изготовления, удовлетворяющих заданным требованиям. Волноводы линии поверхностной волны (ЛПВ) могут быть успешно использованы для наземных линий передачи СВЧ-энергии на расстояния более 1 км. ЛПВ состоит из цилиндрического проводника 3, покрытого слоем диэлектрика 1, который граничит с воздушным пространством 2.
Рис. 4.15. Схема однопроводной линии передачи:
Основной волной ЛПВ является волна Коэффициент затухания ЛПВ, обусловленный потерями в медном проводнике, определяется как
а коэффициент затухания, обусловленный диэлектриком,
где f – частота, МГц, Параметр
а волновое сопротивление ЛПВ
Рассмотрим ЛПВ, собранную из медного проводника радиусом Волновое сопротивление рассматриваемой ЛПВ, согласно (4.42), равно Трасса прокладки ЛПВ должна быть свободна от посторонних поглощающих и отражающих предметов, в том числе удалена от поверхности Земли на расстояние
являющееся радиусом цилиндра, в котором распространяется 95% передаваемой мощности, причём в рассмотренном выше случае Максимально допустимая мощность, передаваемая ЛПВ, определяется пробивной напряженностью воздуха, окружающего слой диэлектрика, и равна
что при Открытая поверхностная волна ЛПВ, заключенная внутри цилиндра радиусом
|