Линии передачи в радиосистемах и устройствах

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Линии передачи в радиосистемах и устройствах

Линией передачи называют устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии к нагрузке. Линии передачи используют для передачи мощности от генераторов к потребителям, для образования резонансных систем -- объемных резонаторов и колебательных контуров с распределенными параметрами, для трансформации (преобразования) полных сопротивлений нагрузок. Отрезки линий передачи применяют и для объединения отдельных устройств СВЧ в единый тракт.

Линия передачи называется регулярной, если в продольном направлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих ее сред. Линия передачи называется однородной, если поперечное сечение заполнено однородной средой. Различают открытые линии передачи и волноводы. В открытых линиях передачи (многопроходные и полосковые линии, линии с поверхностной волной и др.) поперечное сечение не имеет замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии, Напротив, в волноводах обязательно имеется одна или несколько проводящих поверхностей, полностью охватывающих область распространения электромагнитных колебаний.

Полосковые и микрополосковые линии передачи широко применяются на дециметровых и сантиметровых волнах в основном для образования сложных разветвленных трактов, объединяющих в единое устройство СВЧ многие элементы. Полосковые линии образуются из параллельных металлических проводников и диэлектрических пластин. Различают симметричные и несимметричные полосковые линии передачи. Симметричные линии имеют в поперечном сечении две перпендикулярные плоскости симметрии, несимметричные линии -- одну. На рис. 1.5 показаны некоторые разновидности полосковых линий и соответствующие структуры электрического поля в поперечном сечении. Широкие металлические пластины полосковых линий являются экранами и могут рассматриваться как бесконечные плоскости с нулевым потенциалом.

Существует три разновидности полосковых линий: жесткие воздушные полосковые линии; линии на основе фольгированных диэлектрических пластин (армированные стеклом фторопласты, полимеры и др.); линии на основе диэлектрических пластин из керамики или кристаллических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости (поликор, ситалл, кварц, сапфир, кремний, арсенид галлия и др.).

Жесткие воздушные полосковые линии применяют при повышенных мощностях и выполняют чаще всего симметричными (рис. 1.1, б). Для обеспечения жесткости проводники этих линий имеют

Рис. 1.1 Полосковые линии передачи: а -- несимметричная линия; б -- симметричная линия; в --высокодобротная

микрополосковый диэлектрический мощность

значительную толщину. Крепление внутренних проводников осуществляется с помощью металлических (четвертьволновых) или диэлектрических изоляторов. Полосковые линии второго типа изготовляют методами фотолитографии из заготовок в виде диэлектрических пластин (ег=2--7; tgб=10-4--10-3; толщина пластин 1,0--4 мм), покрытых с двух сторон металлической фольгой. Толщина фольги в несколько раз превышает глубину проникновения поля и составляет 15--100 мкм. В несимметричных полосковых линиях один слой фольги является экраном, а второй слой используют для образования рисунка полосковой платы. В симметричных полосковых линиях рисунок полосковой платы накрывают ответной полосковой платой, с внутренней поверхности которой фольга полностью удалена. Внешние экраны симметричных полосковых линий надежно соединяют между собой.

Для исключения диэлектрических потерь применяют так называемую высокодобротную симметричную полосковую линию (рис. 1.1, в). Внутренний проводник такой линии образуется из соединенных между собой на входах и выходах параллельных полосок фольги на двух сторонах тонкого диэлектрического листа. Лист закрепляют на опорах посередине между металлическими обкладками. Электрическое поле внутри диэлектрического листа почти отсутствует, и диэлектрик практически не влияет на параметры линии.

Полосковые линии передачи третьего типа на подложках с высокой диэлектрической проницаемостью (ег=2--15, tgб=(1-5)·10-4), толщина пластины 0,5--1,0 мм) отличаются уменьшенными примерно в раз размерами конструкций по сравнению с воздушными линиями, и поэтому их часто называют микрополосковыми.

Основания микрополосковых линий имеют стандартные размеры, их изготовляют по высокому классу точности и полируют. Нанесение рисунков микрополосковых плат осуществляют методом электровакуумного напыления через маски с последующим гальваническим наращиванием толщины проводников. Наиболее распространены несимметричные микрополоаковые линии (рис. 1.1, а). В несимметричных полосковых линиях с диэлектриком низший тип волны имеет квази-Т-структуру.

Рис. 1.2 Щелевая линия передачи

Фазовая скорость этой волны принимает среднее значение между скоростями света в диэлектрике и в воздухе. Волновые сопротивления полосковых линий составляют 20--100 Ом и легко регулируются подбором ширины проводников. Расчеты параметров полосковых линий являются трудоемкими и поэтому производятся на ЭВМ по специальным программам. Параметры некоторых полосковых линий приводятся в справочниках.

Отрезки полосковых линий передачи на общем основании оказывают взаимное влияние друг на друга. Установлено, что взаимодействие параллельных линий пренебрежимо мало при расстоянии между проводниками, в 2--3 раза превышающем их ширину. При более близком расположении проводников возникает распределенная электромагнитная связь, которая используется для образования направленных ответви-телей.

К полосковым относятся также щелевые и копланарные линии передачи, обладающие рядом полезных свойств: возможностью, параллельного и последовательного подключения сосредоточенных элементов, удобством сочленения с другими типами линий и возможностью создания невзаимных ферритовых устройств. Щелевая линия передачи представляет собой узкую щель в проводящем слое, расположенном на одной стороне диэлектрического листа с высокой проницаемостью (рис. 1.2, а). В щелевой линии распространяется замедленная Н-волна, электромагнитное поле которой концентрируется вблизи щели. Критическая частота этой основной волны равна нулю, однако имеет место значительная дисперсия. Щелевые линии передачи могут помещаться в прямоугольные экраны. Такие волноводно-щелевые линии (рис. 1.2, б) удобно сочетаются с трактами на прямоугольных волноводах и, кроме того, часто применяются в конструкциях волноводно-полосковых излучателей.

Копланарная линия передачи (рис. 1.3) представляет собой трехпроводную полосковую линию передачи, образованную двумя параллельными, близко расположенными узкими щелями в металлическом слое на одной стороне диэлектрической пластины.

Рис. 1.3 Копланарная линия передачи Копланарная линия передачи

Как и в щелевой линии, используются пластины с высокой диэлектрической проницаемостью (ег>=10), что приводит к существенному укорочению длины волны в линии и к концентрации полей вблизи центральной полоски. Основным типом волны в жопланарной линии является замедленная Н-волна. Эта волна обладает дисперсией, однако ее критическая частота равна нулю. Электрические пара метры щелевых и копланарных линий передачи рассчитывают на ЭВМ.

2. Согласованные шестиполюсные делители мощности

Делители мощности являются укрупненными базовыми элементами, применяемыми для разветвления трактов СВЧ. В шестиполюсных делителях мощности различают главный вход 1 и два выхода 2 и 3. Обычно к делителю предъявляют требования согласования главного входа S11 = 0 и передачи мощности с входа на выходы с заданными модулями коэффициентов передачи S21 и S31 Делители мощности можно использовать также для суммирования на входе 1 колебаний от двух когерентных источников, подключенных ко входам 2 и 3. В этом, а также в ряде других случаев к делителю Мощности предъявляются дополнительные требования согласования и развязки входов 2 и 3.

Простейшее тройниковое разветвление линий передачи - относится к классу реактивных шестиполюсников и поэтому не может быть одновременно согласовано по всем трем входам. Чтобы обеспечить согласование и развязку входов 2 и 3 шестиполюсного делителя мощности, следует ввести в его схему поглощающие элементы. Наиболее распространенная схема такого делителя мощности на равные части показана на рис. 2.1. В делителе используются параллельное разветвление линий передачи на входе 1, два четвертьволновых трансформатора с Волновыми сопротивлениями ZВ= и поглотитель в виде сосредоточенного резистора с нормированным сопротивлением R=2. Такая схема может быть получена из гибридного кольца с равным делением мощности. Участок гибридного кольца между входами 2 и 3 показан отдельно на рис. 2.1, б. Матрица А этого участка имеет вид:

т. е. тождественна матрице последовательного сосредоточенного резистора (R= 2), включенного непосредственно между входами 2 и 3

Таким образом, согласованный делитель мощности на рис. 2.1, а, по существу, является направленным ответвителем, в котором роль входа 4 играет резистор (R = 2). Отметим, что по свойствам симметрии этот ответвитель аналогичен двойному Т-мосту .

Качество работы делителя мощности в полосе частот оценивается КБВ (коэффициент бегущей волны - представляет собой отношение минимального значения полного напряжения (или тока, или напряженностиполя) в линии к максимальному значению полного напряжения (или тока, или напряженности поля)) каждого входа Ki и коэффициентами передачи (дБ) Lij = = --20Lg(sij). Расчетные частотные зависимости этих параметров показаны на рис. 2.3. Рабочая полоса частот составляет примерно ±20%, т. е. несколько шире, чем для гибридного кольца, поскольку частотно-зависимый участок кольца между входами 2 и 3 заменен частотно-независимым резистором.

Рис. 2.3 Частотные характеристики согласованного делителя мощности

Возможные варианты согласованных кольцевых делителей мощности на неравные части показаны на рис. 2.4. Расчетные соотношения для элементов идеальных матриц рассеяния делителей мощности на центральной частоте имеют следующий вид:

Рис. 2.4 Согласованные шестиполюсные делители мощности: а -- с различными волновыми сопротивлениями выходных линий; б-- с согласующими трансформаторами в выходных линиях

для делителя с измененными волновыми сопротивлениями выходных линий (рис. 2.4, а):

для делителя с согласующими трансформаторами в выходных линиях (рис. 2.4, б).

Пример расчета делителя мощности.

Рис. 4

Данный полосковый делитель является простейшим шестиполюсником состоящий из двух четвертьволновых отрезков линии передачи, две пары полюсов которого соединены параллельно, а две оставшиеся пары полюсов связаны через активное сопротивление R2.

Рассмотрим принцип действия кольцевого делителя мощности. Сигнал подводимый к плечу 3, разделяется поровну между двумя четвертьволновыми отрезками кольцевого делителя и, следовательно, волны напряжений в точках Б и В равны и синфазны. Если плечи 1 и 2 нагружены на идеально согласованные нагрузки, а входное сопротивление каждого из двух параллельно включенных четвертьволновых отрезков делителя (в точке А) равно 2со, то плечо 3 делителя будет идеально согласованным.

Сигнал, подводимый к плечу 1 (в точке Б), попадает в точку В плеча 2 по двум путям: непосредственно через «точечное» сопротивление R2 и через отрезок линии БАВ, равный Л/2. Таким образом, в точку В две части сигнала поступают в противофазе; при соответствующем выборе сопротивления R2 достигается их компенсация и, следовательно, идеальная развязка плеч 1 и 2. При этом одна половина мощности входного сигнала поступает в плечо 3, а другая половина рассеивается в активном сопротивлении R2.

В силу симметрии делителя мощности (относительно оси YY) аналогичные рассуждения справедливы при подаче сигнала а плечо 2.

Кольцевой делитель может обеспечить суммирование мощностей СВЧ сигналов. Если к плечам 1 и 2 подвести два синфазных сигнала, то в плече 3 выделится суммарный сигнал.

Кольцевой делитель (сумматор) мощности обеспечивает развязку между выходными (входными) плечами, хорошее согласование, малые потери энергии в широкой полосе частот и обладает небольшими линейными размерами. При правильном выборе волновых проводимостей четвертьволновых отрезков делителя (сумматора) можно обеспечить заданное деление мощности (или соответствующее сложение заданных мощностей).

Кольцевые делители могут быть реализованы на полосковых и микрополосковых линиях передачи.

Сопротивление плеч.

Расчет кольцевого делителя мощности проведем методом зеркальных отображений, согласно которому эквивалентный шестиполюсник (Рис.3.2) разбиваем на два симметричных (относительно оси YY) четырехполюсника, работающих при синфазном (++) и противофазном (+-) видах возбуждения. Нормированные классические матрицы передачи этих четырехполюсников при соответствующих видах возбуждения записываются следующим образом:

=

где Y1=с0/с1 - нормированная волновая проводимость отрезка однородной линии длиной l; Y2=2с0/R2 - удвоенная нормированная проводимость активной нагрузки R2, включенной между 1-м и 2-м плечами шестиполюсника; Y3=с0/z3 - нормированная проводимость короткого замыкания (далее полагаем, что Y3=?); с0 - волновое сопротивление подводящих линий ; Л - длина волны в линиях передачи.

Определим элементы матрицы рассеяния [S] шестиполюсного делителя на средней частоте f рабочего диапазона частот (l=Л/4, Лсоответствует f):

S=

S=

S=

Идеальное согласование всех трех плеч делителя (S=S=S=0) и идеальная развязка между первым и вторым плечами (S=0) имеют место в том случае,

Определим волновое сопротивление соединительных отрезков линий кольца

Список используемой литературы

1.Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ.- М.: Высш. школа, 1988.

2.Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.- М.: Высш. школа, 1988.

3.Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ.- М.: Высш. школа, 1981.

4.Седельников Ю.Е., Линдваль В.Р., Лаврушев Устройства СВЧ и антенны.

Размещено на Allbest.ru