Линия передачи это направляющая система для электромагнитных волн icon

Линия передачи это направляющая система для электромагнитных волн


Смотрите также:
Задачи 10 Заключение 12 Список литературы 13 Введение...
План лекции Электромагнитное излучение. Шкала электромагнитных волн. Тепловое излучение...
Электромагнитные волны...
В. Г. Лещенко и др. Поляризация электромагнитных волн...
Преобразование электромагнитных волн в поле ускорений...
Явление электромагнитной индукции при изучении электромагнитных волн...
Рабочая программа учебной дисциплины "электродинамика" Цикл...
Геологи расширили диапазон "видимых" волн на семь порядков...
Программа учебной дисциплины «Распространение электромагнитных волн в плазме» Специальности...
Учебная программа Дисциплины 01 «Теория дифракции электромагнитных волн» по направлению 011800...
Календарный план учебных занятий по дисциплине «Методы контроля состояния окружающей среды»...
«распространение радиоволн» Предмет и задачи курса...



Загрузка...
страницы:   1   2   3
скачать
Лекция 1

Линии передачи

Линия передачи – это направляющая система для электромагнитных волн.



Рис. 1


Электромагнитные волны, которые распространяются в линии передачи, называют направляемыми электромагнитными волнами.

Представим в поперечном сечении линии произвольную составляющую электрического или магнитного поля в виде комплексной амплитуды поля,



где - распространение поля в плоскости поперечного сечения

- множитель бегущей волны, Г – постоянная распространения волны

, где - длина волны

Укажем величину , где - рабочая длина волны в свободном пространстве

Направляемые электромагнитные волны являются плоскими неоднородными волнами.

Введем понятие регулярной линии передачи – это прямолинейная линия, которая не изменяет поперечного сечения по своей длине. Любое отклонение от этого правила определяет нерегулярную (например, изменение поперечного сечения линии передачи).


^ Характеристики линий передачи

1. По типу направляемых электромагнитных волн:

а) волна типа ТЕМ (Т) (в волноводах распространяться не может)

- отсутствие продольных составляющих

Составляющие поля находятся только в плоскости поперечного сечения

(коаксиальная линия, двухпроводная линия)

б) волны типа Н. (ТЕ),

волны типа Е (ТН)

волновод – линия этого типа

в) волны смешанного, гибридного типа

ЕН, НЕ распространяются в оптических волноводах, полосковых

линиях.


2. Фазовая скорость и постоянная распространения.

Для волн типа ТЕМ

Фазовая скорость не зависит от частоты, отсутствует явление дисперсии.

Для волн типа Н. и Е



- критическая длина волны

волна будет распространяться

волна находится в закритическом режиме и не распространяется

Фазовая скорость зависит от частоты.

Такого вида зависимость имеют волны гибридного (смешанного типа).

3. Затухание или потери в линиях передачи. На практике линии выполненные из

несовершенных проводников и диэлектриков. При распространении электромагнитных

волн имеют место потери, которые связаны с потерей части мощности переносимой

волной на тепловые потери.

Тепловые потери учитываются комплексным характером постоянной распространения

, где - фазовая постоянная (постоянная распространения), -

коэффициент затухания. Тогда



Первые два множителя представляют амплитуду поля волны, убывающую по

экспоненциальному закону в направлении распространения, последний множитель

является множителем бегущей волны. Фазовая постоянная определяет длину волны

и фазовую скорость . Коэффициент затухания определяется как



Мощность в линии с потерями в соответствии с указанным амплитудным изменением

поля волны изменяется как

.

Дифференцируя левую и правую части, получим



где - изменение мощности на единицу длины вычисляется для каждого типа

линии передачи. Величина определяет к.п.д. линии передачи.

4. Волновое сопротивление линии, которое вводят для удобства расчета режима в линии

передачи.



- волновое сопротивление

=

=


Определение волнового сопротивления характеризует отношение поперечных

в данном сечении линии.



Для волн типа Т, волновое сопротивление линии совпадает с волновым

сопротивлением среды . Для свободного пространства

Для волн типа Е и Н. волновое сопротивление зависит от частоты.

5. Максимальная пропускаемая мощность в линии передачи.

Предельная мощность, которую можно передать по линии передачи ограничена

явлениями электрического и теплового пробоя.

Наиболее критичным является электрический пробой.



Для режима бегущей волны

- прямая волна

, где F – функция, зависящая от структуры поля в сечении S

линии, S – площадь поперечного сечения, - мощность в линии передачи.

Напряженность поля , при которой электрический пробой в нормальных условиях =

30 кв/см.

Мощность, при которой возможен электрический пробой, называется предельной

мощностью.

Допустимая мощность

, где N – коэффициент запаса,


Основные требования, предъявляемые к линии передачи.

1. Линия передачи должна рассчитана так, чтобы в ней распространялась одна волна

основного тип.

Основная волна имеет наибольшую величину

Если предположить, что в линии передачи на ряду с основной волной,

распространяются другие типы волны – высшие типы волны (любой тип волны, не

являющийся основным), то происходят интерференции полей этих волн (сложения

основной и высших типов волн). В результате в линии передачи может возникнуть

режим стоячей волны. С изменением частоты распределение поля в линии также

изменяется, что изменяет нагрузку, которая представляет собой линия передачи для

генератора. В результате изменяется условие передачи мощности от генератора в

линию передачи, изменяется напряженность поля, что увеличивает опасность

электрического пробоя, увеличивает затухание в линии передачи, ухудшаются

диапазонные свойства линии.

2. Линия передачи должна обеспечивать минимальный коэффициент затухания.

3. Линия передачи должна обеспечить достаточную электрическую прочность.

4. Линия передачи должна обеспечить требуемые диапазонные свойства.

5. Линия передачи должна отвечать конструктивным требованиям.


Основные типы линии передачи

1. Длинные линии – линии, рассчитанные на распространение волн типа ТЕМ.

2. Волноводы, в которых распространяются волны типа Е и Н.

3. Линии передачи поверхностных волн, в которых распространяются волны смешанного

типа (диэлектрические волноводы).

4. Лучеводы, оптические линии передач.


Примеры длинных линий

1. Двухпроводная линия передачи



Используется в коротковолновом диапазоне волн .

Отрезки двухпроводной линии используют как резонансные элементы СВЧ, вплоть до сантиметрового диапазона.

Распределение поля в поперечном сечении:



Волновое сопротивление:





где – глубина проникновения, - проводимость.

С увеличением расстояния между проводниками увеличивается излучение проводов в линии, следовательно, увеличиваются потери за счет излучения. Используют экранированные линии:



^ 2. Коаксиальная линия передачи





Отрезки коаксиальных линий используют в качестве резонансных элементов в устройствах СВЧ вплоть до сантиметровых диапазонов волн.


Структура поля в поперечном сечении линии



Волновое сопротивление:

где Е – относительная диэлектрическая проницаемость

Пример:



Особенности коаксиальной линии передачи

1.

коаксиальная линия имеет наибольшую электрическую прочность

2. В коаксиальных линиях могут распространяться высшие типы волн.

- волна высшего типа



- для распространения волны типа Т.

^ 3. Полосковые линии передач

Полосковые линии передач редко используются для канализации электромагнитной мощности из – за малой электрической прочности. Основное их применение относится к устройствам СВЧ. Преимущество линий передач этого типа – простая технология изготовления, хорошая воспроизводимость характеристик, малые габариты и вес.

Применяются в дм и см диапазонах волн



В такой линии передачи распространяются волны смешанного типа.

Структура поля приближается к структуре поля Т, если



Симметричные полосковые линии:



приближается к коаксиальным




Лекция 2

4. Волноводы

Волноводы отличаются по форме поперечного сечения

Прямоугольный волновод.



Волноводы – как линии передач используются в см диапазоне волн. Отрезки волноводов в качестве элементов устройств СВЧ. В волноводах направляемая э/м волна типа Е или Н: . Для волн этого типа существует критическая длина волны ,



где индексы m и n определяют число вариаций в распределении поля волны данного типа по оси x и y. Волна данного типа будет распространяться, если . Критические длины волн образуют счетные множества



Основным типом волны является волна с наибольшей критической длиной

- эта волна распространяется, если


Структура силовых линий поля волны





Типы волн неосновные – высшие

Для волны

Линии передачи рассчитаны на распространение волн основного типа. Волна не распространяется, если

выбор размеров волновода:

Пусть принимает значение от до

Тогда



При приближении к критическому режиму увеличивается дисперсия в волноводе



Чем больше b, тем меньше потери в волноводе и больше прочность, но увеличиваются габариты и вес.


Структура силовых линий поля волны



Зависимость коэффициента затухания от частоты.



Чем больше частота (), тем больше затухание в волноводе, т. к. в этом случае растет поверхностное сопротивление стенок волновода (явление скин – эффекта проводника), увеличиваются тепловые потери в стенках волновода, которые определяются поверхностными токами стенок и поверхностными сопротивлением.

При приближении к критическому режиму величина потерь в волноводе резко увеличивается. Это объясняется тем, что групповая скорость волны, характеризующая перенос Э/М энергии, уменьшается, распределение поля приближается к распределению поля стоячей волны (увеличение реактивного поля волновода).

При приближении к критическому режиму реактивное поле в волноводе растет величина токов, наводимых на стенках, увеличиваются потери в волноводе.

Для коэффициента затухания есть формулы.



N – коэффициент затухания

- характер. близость к критическому режиму

Чем больше S поперечного сечения , тем больше , и больше электрическая прочность.

Чем ближе режим к критическому, тем меньше электрическая прочность, т. к. растут токи, наводимые полями.


^ Круглый волновод



В круглом волноводе существуют направляемые волны типа где m – число вариаций в распределении поля по окружности волновода, n – число вариаций поля по радиусу.

Волна





Картинка силовых линий поля волны





Картинка силовых линий поля волны

Существуют волноводы типа П и Н сечения, которые имеют увеличенное движение

Линии передачи конечной длины

^ 1. Режим работы линии передачи конечной длины. Коэффициент отражения.

Линия передачи имеет конечную длину и возникает необходимость рассмотреть режим работы линии передачи конечной длины.

Высшие типы волн в закритическом режиме. Поля высших волн существуют.

Любое изменение в поперечном сечении линии передачи называют нерегулярностью (неоднородностью). В этих местах возникают высшие типы волн, поля которых локализованы вблизи этих неоднородностей. Такие поля называют реактивными полями.

Эти поля по длине линии быстро убывают по exp закону. Областью регулярного режима в линии передачи называют область, где полями высших типов волн можно пренебречь.



В области регулярного режима существуют волны основного типа.

Поле в области регулярного режима:







Появление обратной волны в линии передачи можно рассматривать как результат отражения прямой волны от конца линии. Определим коэффициент отражения



Тогда из (1)



Вычислим мощность в некотором сечении линии

Для прямой волны имеем:

- дифференциальное волновое сопротивление



Используя выражение для коэффициента отражения (2)



Мощность прямой волны на величину , больше, чем мощность, переносимая обратной волной.

Рассмотрим структуру коэффициента отражения.

где





КБВ =




^ Примеры режимов работы линий передач



Прямая волна полностью отражается от конца линии.

Распределение поля в линии является результатом сложения полей прямой и обратной волны.

режим стоячей волны

режим бегущей волны, отражение отсутствует, есть только поле прямой волны

промежуточный режим, характеризуемый величиной КБВ (КСВ).


Лекция 3

Применение теории длинных линий к расчету режима работы в линиях передачи конечной длины

Для расчета режима работы линии передачи при инженерном подходе используют метод эквивалентных схем, который состоит в том, что линии передачи с направляемыми э/м волнами заменяются двухпроводными линиями с волнами напряжения (U) и тока (I).

Любые нерегулярности линии заменяются реактивными сопротивлениями, которые представляются как накопители энергии реактивных полей – полей высших типов волн вблизи этих нерегулярностей.

Под эквивалентной 2 – х проводной линией понимают линию с распределенными параметрами (длинная линия).

При переходе к линии с волнами напряжения и тока можно ввести эквивалентное сопротивление в любом сечении этой линии, что облегчает расчет режима работы линии передачи.

Рассмотрим двухпроводную линию с Т – волной



Электрическое и магнитное поле волны носят поперечный характер



В волноводных линиях передачи помимо продольных токов существуют и поперечные токи, наводимые полем на проводниках, то переход неоднозначен. Эта неоднородность следует из неоднозначности определения волнового сопротивления эквивалентной двухпроводной линии.



Если рассматривать нормированные сопротивления 2 – х проводной линии, то можно правильно вычислить режим работы.



Эквивалентная двухпроводная линия

z

Эквивалентное сопротивление линии



Введем коэффициент отражения (по напряжению)



Тогда



где

Для линии передачи с направляемыми электромагнитными волнами имеем





Сопоставляя соотношения (*) и (**) можно видеть, что при величину

можно сопоставить с величиной и ограничиться рассмотрением режима работы в эквивалентной двухпроводной линии.

Рассмотрим соотношения для отрезка длинной линии (линии с распределенными параметрами)



где







На достаточно малом отрезке dz справедливы законы Кирхгофа





Решение этой системы уравнений имеет вид прямых и обратных волн напряжения и тока где



Для линии без потерь



Для линии с потерями




^ Эквивалентное сопротивление линии с нагрузкой

Рассмотрим линию без потерь











Из соотношений (3), (2) и (1) следует



Это основное соотношение для расчета режима работы линии с нагрузкой

Пример 1. Представим отрезок короткозамкнутой линии.









- параллельный резонансный контур

- последовательный резонансный контур

Можно подобрать такую короткозамкнутой линии, чтобы получить любую реактивность.

2. Представим отрезок разомкнутой линии







Линия нагружена на реактивную нагрузку индуктивного характера.

3.



При индуктивной нагрузке ближайшим к сечению нагрузки будет пучность напряжения, узел тока. Линия нагружена на емкостную нагрузку.

4.



Ближайшим к нагрузке – узел напряжения, пучность тока.



Линия нагружена на активную нагрузку.

5.

то



КБВ =

Из соотношения (4) следует:

1. Эквивалентное сопротивление линии с нагрузкой повторяется через отрезки, равные



2. Соотношение для трансформатора



3. При любой нагрузке в линии существует сечение, где эквивалентное сопротивление чисто активное.







Скачать 397,34 Kb.
оставить комментарий
страница1/3
Дата17.11.2011
Размер397,34 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3
отлично
  2
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх