1.1 Виды и классификация линий передачи СВЧ и требования.

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про линии передачи, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое линии передачи, линия передачи, требования к линиям передач , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

линия передачи (длинная линия) — два или несколько параллельных проводников, которые предназначены для направленной передачи по ним электромагнитной энергии или электрических сигналов от одного объекта к другому. Также под линией передачи могут понимать любую систему, позволяющую передавать энергию постоянного или переменного токов, например волновод, квазиоптическая и оптическая линия передачи. Поперечные размеры таких линий малы по сравнению с продольными, а часто и с длиной волны передаваемых колебаний. Из-за этого появился термин "длинные линии".

В электротехнике, технике связи линии передачи выполняют в виде проводов, подвешиваемых на опорах, либо в виде кабелей. В технике сверхвысоких частот и оптике используют два вида линий передачи: открытые и закрытые. Закрытые линии имеют экраны вокруг проводников, а также выполняются в виде коаксиальных линий, металлических волноводов, световодов и других конструкций.

Онлайн демонстрация и симуляция работы Простые линии передачи:

Открыть на весь экран Простые линии передачи

Неотъемлемыми составными частями современных радиотехнических средств являются антенные системы и обслуживающие их тракты СВЧ.

Весьма важное значение в функционировании радиосистем имеют тракты, соединяющие антенны с передающей или с приемной радиоаппаратурой. Тракт осуществляет канализацию электромагнитных волн, обеспечивает правильный режим работы выходных и входных цепей передатчика и приемника, выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов, может содержать коммутирующие цепи и вращающиеся сочленения, устройства управлением луча антенны в пространстве и поляризацией радиоволн, устройства контроля функционирования системы.

Кроме антенных устройств тракты СВЧ широко используются в разнообразной измерительной аппаратуре, в частности для определения параметров различных сред, в ускорителях элементарных частиц, при нагреве СВЧ и сушке изделий, в медицине и др. Поэтому в более широком смысле под трактом СВЧ понимают совокупность устройств СВЧ, сочлененных между собой определенным образом для достижения поставленных целей. Наиболее распространенными элементами тракта являются отрезки линий передачи, переходные и стыковочные узлы, согласующие элементы, ответвители и поглотители мощности, фильтры, фазовращатели, невзаимные устройства с ферритами, коммутирующие устройства. В подавляющем большинстве случаев как антенны, так и обслуживающие их тракты относятся к классу линейных и пассивных радиотехнических устройств и в конструктивном отношении представляют собой сочетание деталей и элементов, выполненных из проводников, диэлектриков и магнитодиэлектриков.

В последние годыв антенных системах и трактах СВЧ важную роль стали играть устройства управления их работа, особенно в антеннах с быстрым перемещением луча в пространстве. Такие антенны, называемые фразированными антенными решетками (ФАР), обычно строится в виде системы большого числа отдельных излучателей, фазы высококачественного возбуждения которых регулируются независимо с помощью быстродействующих полупроводниковых или ферритовых управляющих устройств по командам ЭВМ. Вопросы создания управляющих систем для антенн и трактов относятся к курсам «Радиотехнических систем» и «Радиоавтоматика» и поэтому здесь не рассматриваются. Однако при изложении теории антенн будут специально обсуждены возможности и способы управления положением луча антенны в пространстве, а при рассмотрении элементов трактов СВЧ – технические средства для регулирования амплитуд и фаз возбуждения излучателей антенных решеток.

Процесс излучения и приема радиоволн антеннами, а так же процессы передачи электромагнитных волн в трактах СВЧ и образующих их элементах относятся к весьма сложным волновым процессам. Адекватное математическое описание этих процессов дает общая теория электромагнитного поля (электродинамика), основана на решении системы дифференциальных уравнений Максвелла, дополненной материальными уравнениями для сред и граничными условиями.

Несмотря на внешнюю относительную простоту и физическую четкость уравнений Максвелла, их прямое использование при проектировании конкретных антенн и трактов чаще всего не приводит к желаемым результатам из-за серьезных математических трудностей. Оказывается, что строгие и полные решения электродинамических задач даже для простейших антенн (например, уединенных вибраторов и щелевых излучателей) и типовых элементов трактов (например, скачков размеров линий передачи, диафрагм волноводов, разветвлений) приводят к слишком сложным векторным функциям напряженностей электрического и магнитного полей от трех пространственных координат. Однако в большинстве случаев при разработке антенн или трактов не обязательно воссоздавать полную картину электромагнитного поля в любой точке пространства. Важно уметь определять и обеспечивать разрешенность допусков требуемой характеристики антенны (диаграммы направленности, входные сопротивления и т.д.) и ответные реакции тракта на заданное воздействие.

При расчете электрических характеристик антенн или трактов наряду со строгим решениемграничных задач с успехом используются и более простые инженерные подходы. Здесь в первую очередь следует отметить общую теорию цепей СВЧ, базирующуюся на матричном аппарате линейной алгебры, теории функции комплексного переменного и некоторых других разделах математики. Одной из центральных идей общей теории цепей СВЧ является возможность замены любых линий передачи электромагнитных волн эквивалентными длинными линиями с распределенными параметрами. Другим элементам тракта или элементам антенн (стыкам волноводов, нагрузкам, диафрагмам, излучающим щелям, наборам вибраторов и т.д.) ставятся в соответствие эквивалентные многополюсники. Эти многополюсники описываются либо матрицами параметров (матрицы рассеяния, сопротивления или передачи), либо схемами замещения той или иной степени сложности. Параметры эквивалентных многополюсников или их схем замещения электрических характеристик конкретного элемента в нужной полосе частот точным результатам, полученным путем строгого решения соответствующей граничной задачи электродинамики, либо из прецизионных измерений.

Когда в распоряжении разработчика антенн и трактов оказывается достаточно широких набор схем замещения стандартных узлов, именуемых базовыми элементами, дальнейшая работа по анализу и синтезу сложных антенн и трактов может производиться с помощью алгоритмов объединения базовых элементов в общую схему. Подробности поведения электромагнитных полей в отдельных устройствах оказываются при этом уже ненужными, а сам алгоритм объединения реализуется с помощью ЭВМ по заранее составленным и отлаженным программам вычислений. Набор таких программ вместе с банком характеристик базовых элементов составляет ядро системы автоматизированного проектирования антенных устройств и тактов определенного класса.

Наряду с общей теорией цепей СВЧ при проектировании современных антенн и трактов широко применяются и другие приближенные теории, среди которых следует отметить геометрическую оптику, физическую оптику, скалярную теорию дифракции, геометрическую теорию дифракции.

1.1. Классификация линий передачи СВЧ

В соответствии с ГОСТ линией передачи СВЧ называется устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитнойэнергии в заданном направлении. Направление распространения определяется взаимным расположением источника электромагнитных колебаний и нагрузки в линии передачи. Источникомэлектромагнитных колебаний может служить, например, генератор, подключенный к линии передачи, приемная антенна или устройство возбуждения линии передачи, отбирающее частьэлектромагнитной энергии от другой линии передачи или какого-либо устройства СВЧ. Нагрузкой линии передачи может служить устройство, преобразующее электромагнитную энергию(например, в тепло), излучающая (передающая) антенна, входные цепи приемника и т.п.

К СВЧ-устройствам относятся линии передачи и преобразователи СВЧ-энергии, ответвители, фильтры, вентили и т.д. Совокупность СВЧ-устройств, сочлененных определенным образом,образует тракт СВЧ.

Различают регулярные и нерегулярные линии передачи. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . У регулярной линии передачи в продольном направлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойствазаполняющих сред. Если одно из условий регулярности отсутствует, то такая линия является нерегулярной.

Линия передачи, заполненная однородной средой, называется однородной. В противном случае — неоднородной.

Линии передачи классифицируются по диапазонамчастот.

Принята и закреплена ГОСТами терминология (табл. 1.1), определяющая длины волн и частоты электромагнитных колебаний. Приведенная терминология ограничена диапазоном частотот 3 кГц до 3000 ГГц (2 ГГц = 109 Гц). Такая классификация обусловлена особенностями распространения радиоволн в различных диапазонах частот. В табл. 1.1 диапазон СВЧ соответствуетсантиметровым волнам. Однако на практике этим термином определяют диапазон с более широкими границами, который включает в себя волны от метровых домиллиметровых.

Таблица 1.1 — Диапазоны частот

Длина волны	Термин	Частота	Термин
100...10 км	Мириаметровые волны	3...30 кГц	Очень низкие частоты (ОНЧ)
10...1 км	Километровые волны	30. ..300 кГц	Низкие частоты (НЧ)
1000...100 м	Гектометровые волны	300...3000 кГц	Средние частоты (СЧ)
100...10 м	Декаметровые волны	3...30 МГц	Высокие частоты (ВЧ)
10...1 м	Метровые волны	30. ..300 МГц	Очень высокие частоты (ОВЧ)
100... 10 см	Дециметровые волны	300...3000 МГц	Ультравысокие частоты (УВЧ)
10...1 см	Сантиметровые волны	3...30 ГГц	Сверхвысокие частоты (СВЧ)
10...1 мм	Миллиметровые волны	30...300 ГГц	Крайневысокие частоты (КВЧ)
1...0,1 мм	Децимиллиметровый диапазон	300...3000 ГГц	Гипервысокие частоты (ГВЧ)

Линии передачи классифицируются по типам используемых волн:

• линии передачи с поперечной электромагнитной волной (Τ-волной);
• линии передачи с магнитной волной ( Н волной);
• линии передачи с электрической волной (Ε-волной);
• линии передачи с гибридной волной.

Направив ось Z прямоугольной системы координат вдоль линии передачи, каждый тип волны можно определить условиями, представленными в табл. 1.2 и накладываемыми на продольные EZ и HZ составляющие векторов электрического и магнитного полей соответственно.

Таблица 1.2 — Типы (классы ) электромагнитных волн

Классы волн

1. При Ez=0 и Hz≠0 направляемую волну называют поперечной электромагнитной волной или T-волной (T – первая буква латинского слова transverses – поперечный). В поперечной электромагнитной волне векторы напряженности электрического и магнитных полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В диэлектрическом волноводе поперечная электромагнитная волна распространяться не может.

2. При Ez≠0 и Hz=0 направляемую волну называют электрической или E-волной. Электрическая волна – это электромагнитная волна, вектор напряженности электрического поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.

3. При Ez=0 и Hz≠0 направляемую волну называют магнитной или H-волной. Магнитная волна – это электромагнитная волна, вектор напряженности магнитного поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.

4. При Ez≠0 и Hz≠ 0 направляемую волну называют гибридной или смешанной. Гибридную волну называют также HE- или EH-волной. Первое обозначение используется, когда структуру поля определяет в основном составляющая Hz и направляемая волна ближе по структуре к H-волне. Если определяющая Ez, то волну обозначают как EH-волна.
   В гибридной волне векторы электрического и магнитного полей имеют отличные от нуля поперечные и продольные составляющие.

Из табл. 1.2 следует, что в Τ-волне векторы напряженности электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения;

• в Η-волне вектор напряженности магнитного поля имеет продольную и поперечную составляющие, а вектор напряженности электрического поля имеет только поперечную составляющую;
• в Ε-волне вектор напряженности электрического поля имеет продольную и поперечную составляющие, а вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости поперечного сечения линии передачи;
• в гибридной волне векторы напряженности электрического и магнитного полей имеют и продольные, и поперечные составляющие.

Классификация линий передачи по видам представлена на рис. 1.1. Линия передачи, конструкция которой не допускает упругого или пластичного изгиба,

называется жесткой;

в противном случае — гибкой.

Типы волн (моды)

В теории применяется дополнительная классификация волн для конкретных линий передачи. Эта классификация учитывает изменения структуры поля в поперечных координатах. Она реализуется введением в обозначение типов волн индексов n и m (n, m = 0,1,2…). В литературе часто вместо термина «тип волны» используется слово "мода".
Типы колебаний - моды – определяются решениями системы уравнений Максвелла.
Уравнения Максвелла дают набор из n, m решений, т.е. различных типов волн (появляются целые индексы n для каждого целого m). На основе такого анализа можно показать, что по одному световоду может распространяться только определенный дискретный набор электромагнитных волн (мод). В результате формируется набор мод, перебор которых основан на использовании двойных индексов. Индекс n характеризует азимутальные (угловые) свойства волн (число полных изменений поля по окружности), а m – радиальные (число полных изменений поля по диаметру) (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Пояснение к понятию «тип волны»

Оказывается, что в ВС существуют только два типа волн HEnm и EHnm.
При n=0 имеем симметричные моды E0m и H0m.
При n≥1 имеем несимметричные (гибридные) моды HEnm и EHnm.
Часть внеапертурных лучей распространяется в оболочке, соответствующие им моды называют оболочечными. Они играют определенную роль в улучшении характеристик световодов. Чем меньше диаметр сердцевины dc, тем меньше сечение светового потока, поступающего в оптическое волокно, тем меньше различных типов колебаний (обусловленных множеством решений уравнений Максвелла), или мод, возникает в нем.
В ОМ волоконом световоде поддерживается только одна гибридная мода HE11, называемая основной модой. В ММ волоконном световоде поддерживаются различные, как гибридные моды так и Е- и Н- моды.
Не все моды указанных наборов можно реализовать. Чтобы понять, какие моды могут возникнуть, нужно провести достаточно сложный и кропотливый анализ. Сопоставляя волновую теорию с геометрической оптикой, следует отметить, что симметричные моды E0m и H0m соответствуют меридиональным лучам, несимметричные (смешанные) моды HEnm и EHnm – косым лучам.

Структура поля

Как мы убедились, вдоль круглого неоднородного диэлектрического световода с осесимметричным распределением ε в сердцевине возможно распространение дискретного числа различных по структуре поля типов колебаний (мод) (рисунок 1.9).

а – мода самого низкого порядка; б – первый ряд мод более высоких порядков
Рисунок 1.9 – Картины векторов поперечного электрического поля в поперечном сечении сердцевины ступенчатого волоконного световода для четырех мод самых низких порядков

Они отличаются кроме числа вариаций поля по азимуту и радиусу еще и соотношением между продольными компонентами Ez и Hz.

Волноводом называется линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура,охватывающего область распространения электромагнитной энергии.

Если такой проводящий контур отсутствует, то линия передачи называется открытой.

Рис Набор стандартных волноводных компонентов.

К проволочным линиям передачи относятся воздушные двухпроводные и четырехпроводные линии передачи. На рис. 1.2 представлены поперечные сечения таких линий передачи. Проводники линии могут быть покрыты диэлектриком. Основным типом волны в них является Τ-волна. Основным типом волны в них является Τ-волна. В четырехпроводных линиях возбуждаются попарно соединенные проводники, например вертикальные, горизонтальные или диагональные.

Такие линии передачи используются в диапазонах гектометровых, декаметравых и метровых волн. К полосковым линиям передачи относятся несимметричная и симметричная полосковыелинии, щелевая и копланарная линии. Поперечные сечения таких линий и структура полей в них представлены на рис 1.3. Они применяются в диапазонах дециметровых, сантиметровых идлинноволновой части миллиметровых волн. Основной волной несимметричной и симметричной полосковых линий является Т-волна. В щелевой и копланарнойлиниях основной является Η-волна.

Рис. 1.2 — Поперечные сечения проволочных линий

а — двухпроводной; б -четырехпроводной

Рис. 1.3 — Поперечные сечения полосковых линий передачи: а) несимметричной; б)симметричной; в) щелевой; г) копланарной

Различают также микрополосковые линии передачи.

К ним относятся полосковые линии, у которых диэлектрическая пластина (подложка) имеет большую относительную диэлектрическую проницаемость (более 10) и малые потери.

Вследствие этого геометрические размеры устройств, выполненных на основе таких линий, уменьшаются в раз.

В качестве диэлектрической подложки микрополосковых линий используются

поликор, ситалл, кремний, сапфир и др. Для уменьшения потерь в полосковых линиях в качестве диэлектрика используется воздух. Такие линии называются воздушными иливысокодобротными полосковыми линиями.

Диэлектрические линии передачи классифицируются в зависимости от формы поперечного сечения. Некоторые из них представлены на рис. 1.4. Такие линии используются в диапазонемиллиметровых волн. Основным типом волны является гибридная НЕ-волна.

При удалении от диэлектрика амплитуда волны, распространяющейся по линии, быстро убывает. Наличие металлического экрана в зеркальных диэлектрических линиях (рис. 1.4, д, е, ж)позволяет сохранять поляризационную структуру поля распространяющейсяволны.

Волоконно-оптические линии передачи используются в децимиллиметровом (субмиллиметровом) и оптическом диапазонах. Они представляют диэлектрическую линию круглогопоперечного сечения, выполненную из кварца, с несколькими одновременно распространяющимися типами волн. Линия передачи, в которой на данной частоте могут распространятьсяодновременно несколько типов волн (мод), называется многомодовой. Диаметр круглого волокна составляет несколько длин волн электромагнитных колебаний. Распространение волн в волоконно-оптических линиях передачи основано на эффекте полного внутреннего отражения от границы диэлектрик-воздух. Для уменьшения тепловых потерь в таких линиях используютволокна с изменяющимся в поперечном сечении коэффициентом преломления. Это приводит к уменьшению геометрического пути, который проходит луч на единицу длины линии передачи.

Квазиоптические (лучевые) линии передачи представляют собой нерегулярные линии, принцип работы которых основан на использовании оптических свойств радиоволн. На рис.

1.5 схематично представлены варианты построения таких линий. Они используются в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых волн.

Рис.1.5 — Лучевые линии передачи: а) отражательного типа; б) линзового типа

Коаксиальные волноводы представляют собой жесткие или гибкие коаксиальные кабели, основной волной в которых является Т-волна. Они используются в диапазонах от гектометровых до сантиметровых волн включительно. Поперечные сечения наиболее распространенных на практике коаксиальных волноводов представлены на рис. 1.6.

Волноводы прямоугольного, круглого и более сложного поперечных сечений представляют собой металлические трубы соответствующих поперечных сечений (рис. 1.7). Основной волной в таких линиях передачи является низшая Η-волна. Металлические волноводы используются в диапазонах от коротковолновой части дециметровых до миллиметровых волн.

а) б) Рис. 1.6 — Поперечные сечения коаксиальных волноводов: а) круглого; б) прямоугольного

Линии передачи могут быть классифицированы по порядку связности их поперечного сечения.

Порядок связности является геометрической характеристикой поперечного сечения линии и определяется числом проводящих поверхностей.

В зависимости от количества проводящих поверхностей линии передачи разделяют на односвязные, двухсвязные, трехсвязные, многосвязные и нулевой связности при отсутствии проводящих поверхностей.

Например, металлические волноводы являются односвязными линиями передачи, коаксиальные волноводы — двухсвязными, а диэлектрические линии передачи (см. рис. 1.4, а, б, в, г) имеют нулевую связность поперечного сечения.

требования к линиям передач и

Линией передачи назы вается устройство, направляющее по ток электромагнитной энергии в заданном направлении. Линии передачи служат для передач и электромагнитной энергии от источника к потребителю, например от передатч ика к антенне и от антенны к приемном у устройству, а также для соединения отдельных частей и узлов радиоаппаратуры. На базе отрезков линий передач и конструируются многие СВЧ-э лементы и узлы радиоаппаратуры.

К линиям передач и предъявляются следующие требования:

1) незначительны е паразитные излучения при приеме энергии, так как возникающие паразитные связи нарушают правильное функционирование радиоаппаратуры и радиосистем в целом;

2) минимальные амплитуднои фазочастотные искажения;

3) минимальные потери энергии, уменьшающие дальность действия радиосистем и ухудшающие электрические характеристики элементов и узлов радиоаппаратуры, конструируемых на базе линий передачи;

4) высокая электрическая прочность, необходимая для передачи большой мощности, а также для конструирования элементов и узлов радиоаппаратуры;

5) высокая механическая прочность, обеспечивающая высокую надежность, длительный срок службы и устойчивость к механическим воздействиям;

6) большая широкополосность, допускающая одновременную работу нескольких каналов радиосистем и передачу сложных сигналов с широким спектром частот;

7) передача энергии волной одного типа. Использо вание нескольких типов волн приводит к понижению КПД возбуждающих устройств на входе линии, к возрастанию потерь из-за увеличения затухания на параз итны х типах волн и увеличению отражений на приеном конце линии из-за по вышенного коэфф ициента отражения паразитных типов волн. Кроме того, различным типам волн соответствуют различные групповые скорости, что в свою очередь является причиной искажения передаваемого сообщения; один и тот же сигнал приходит в точку приема в виде нескольких сигналов, смещенных во времени.

Используемые на практике линии передач и можно разделить на два класса: открытые линии передач и и волноводы. В открытых линиях передачи электромагнитное поле сообщается с пространством, окружающимлинию. В волноводах электромагнитное поле сосредоточено в пространстве, экранированном от внешней среды металлической оболочкой.

Применение линий передач

Впервые линии передачи появились в 30-х XIX века в телеграфии, к концу века их стали применять для передачи энергии переменного тока.

Термин линия передачи употребляется в радиочастотной технике, использующей электромагнитные колебания таких частот, для которых должен учитываться их волновой характер (например, в технике сверхвысоких частот ). Если говорят целиком о физическом канале передачи сигнала от источника до потребителя, включающем, например, передающее антенно-фидерное устройство, среду распространения и приемное антенно-фидерное устройство, то говорят о линии связи (например, радиорелейной линии связи). Линия передачи может предназначаться для передачи радиочастотного сигнала или радиочастотной энергии; также говорят о линии передачи данных, если передаваемый сигнал не содержит несущего колебания.

Статью про линии передачи я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое линии передачи, линия передачи, требования к линиям передач и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.